과학기술의 발전으로 데이터의 홍수 속에 살게 되면서 현시대를 살아감에 있어서 데이터를 처리하는 기술이 매우 중요해졌습니다. 기하급수적으로 증가하는 데이터는 고전 컴퓨터로 처리하기에 한계가 있는데요. 그에 대한 해결책으로 ‘양자 컴퓨터’가 등장하였습니다. 슈퍼컴퓨터로 1만년 걸릴 문제를 양자컴퓨터는 200초에 해결한다고 하는데요. 이렇게 양자 고유의 특성을 활용한 양자 기술은 AI, 5G등과 함께 차세대 혁신기술로 산업 생태계의 판도를 바꿔놓을 것으로 보입니다.
하지만 아직까지 양자 기술은 기술적 난이도가 높고 산업 기반이 없는 초기 기술이기에 정부 주도의 선제적 대응이 필요하기도 합니다. 이에 대해, 선도국들은 이미 앞다퉈 전략과 투자 계획을 발표하고 지원이 이뤄지고 있다고 하는데요. 이렇게 미래에 꼭 필요한 양자 기술의 산업 동향에 대해 자세히 알아보겠습니다.
<목차>
1. ‘양자 기술’이란?
2. '양자컴퓨팅'의 측면에서
3. '양자통신'의 측면에서
4. '양자센서'의 측면에서
5. 마치며
1. ‘양자 기술’이란?
양자 기술에서 이야기하는 양자는 원자, 전자와 같은 용어가 아니라 중첩, 얽힘과 같은 고전역학으로 설명이 불가능한 ‘현상’으로 바라봐야 합니다.
자세히 설명하기에 앞서 혹시 슈뢰딩거 고양이에 대해 아시나요? 고양이 한 마리가 외부세계와 완전히 차단된 상자에 갇혀 있고, 그 상자 안에는 독이 든 유리병과 망치, 라듐과 이를 검출하는 가이거 계수기가 들어있다고 가정해봅시다. 라듐이 검출되는 순간 계수기와 연결된 망치는 독이 든 유리병을 깨트리는데, 이때 고양이는 죽게 됩니다. 그렇다면 1시간이 흐른 뒤, 고양이는 살았을지, 죽었을지에 대해 예견해봅니다. 예견된 결론을 요약하면, 절반의 확률로 상자 안의 고양이가 죽어있을 것이며, 절반의 확률로 고양이는 살아있을 것입니다.
원래는 죽었어야 할 고양이가 절반의 확률로 살아있는 것처럼 고전역학이 지배하는 거시세계와 달리 양자역학이 지배하는 미시세계에서는 사건이 관측되기 전까지 여러 가능성을 갖는 중첩 상태가 공존하는 것입니다. 양자 기술에 사용되는 양자 얽힘이란 둘 이상의 입자가 가지고 있는 양자 중첩으로 두 입자가 멀리 떨어져 있어도 연결되어 있는 것과 같은 상호관계를 가지게 되는 것입니다.
예를 들어, 양자컴퓨터란 중첩과 얽힘과 같은 양자의 특이한 상태를 정보처리에 활용한 컴퓨터를 말합니다. 전통적인 컴퓨터는 이진법의 비트를 통해 정보를 저장하고 연산을 수행하지만, 양자컴퓨터는 0과 1을 동시에 가지는 상태를 이용하여 정보를 저장하고 연산을 수행하는 것입니다.
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2. '양자컴퓨팅'의 측면에서
앞서 말했던 양자컴퓨터의 기본 정보 단위는 큐비트인데요, 이는 2차원 결맞음 양자상태를 구현할 수 있는 물리계라면 어떤 방법으로든 활용될 수 있습니다. 양자 프로세서 구현 방식 유형으로는 초전도 소자, 이온트랩, 반도체 양자점 등 다양하게 존재하며 현재는 초전도, 이온트랩 방식이 앞서 있으나 향후 기술발달 양상에 따라 주도 방식이 바뀔 것으로 보입니다.
이러한 양자컴퓨팅의 가능성에 주목하여 구글, IBM 등의 글로벌 대기업들은 본격적으로 연구를 추진하고 있으며, 양자컴퓨터를 통해 인공지능, 의료, 제약 등의 다양한 분야에서 혁신을 가져올 것으로 기대하고 있습니다. 특히, 의료·제약 분야에서는 단백질의 3차원 구조 분석에 최적화된 새로운 알고리즘을 활용할 수 있기 때문에 신약, DNA 분석, 신소재 개발 등에 적용될 수도 있습니다. 또한, 인공지능에 특화된 양자 알고리즘으로 복잡한 계산을 빠르게 수행해낼 수도 있는데요. 슈퍼컴퓨터와 대비해봤을 때, 1/600 수준으로 전력이 소모된다고 합니다.
3. '양자통신'의 측면에서
현재 양자통신 기술은 1:N 암호키 교환이 가능한 수준이지만, 장기적으로는 정보의 양자상태 전송이 가능한 양자인터넷으로 발전될 것을 예상하고 있습니다. 유선통신은 초기 상용화 단계에 들어섰으며, 무선통신 분야는 초근거리 무선 암호통신 기술 및 위성 간 통신을 위한 장거리 무선통신 기술 개발이 진행되고 있습니다.
통신 및 네트워크 서비스, 암호인증 및 데이터 보안을 중심으로 상용화 시장이 형성될 것으로 예상됩니다. 금융, 국방 등에 이 기술이 활용되면 도감청 및 해킹을 차단할 수 있고, 양자컴퓨터끼리 연결할 수 있기에 대규모 양자컴퓨터가 구현되는 등 시스템이 확장될 수 있습니다.
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4. '양자센서'의 측면에서
양자센서는 민감도, 해상도 등의 측면에서 고전 센서의 한계치를 극복해낼 수 있을 것으로 보입니다. 이미 실험실 수준에서 가속도, 전기장, 자기장 등을 탐지하는 양자센서가 가능함을 입증해냈습니다. 이 센서들이 실제로 응용이 가능할 수 있도록 SWaP-C(Size, Weight, Power, Cost) 최적화 등을 위한 연구가 추진되고 있습니다.
이 센서를 활용하면 의료 영상 분야에서는 0.05mm이하 크기의 미세암을 발견할 수 있고, 초정밀 측위가 가능하여 수중, 광산 등에서 정밀측위 가능 위치 측정이 가능해집니다. 지하 탐사 분야에서는 최소 지구 중력의 1/100억 등을 감지하는 등 싱크홀, 화산활동 등 초정밀 감지가 가능해집니다. 추가로 장거리 탐지가 가능해지며 숨겨진 물체를 투과하여 탐지하는 것도 가능해집니다.
5. 마치며
우리나라는 양자 R&D 후발국으로 주요국과의 기술격차가 현저하게 나타나고 있는 상태입니다. 선도국과 비교하여 약 81.3% 수준으로 국내 전체 ICT 기술 중 최하위 수준입니다. 해외는 초기버전 시제품을 이미 출시하고 있지만 국내 기업들은 아직 탐색 수준에 그치고 있습니다. 기업의 투자 불확실성을 낮출 수 있도록 정부의 집중적 투자가 필요해 보입니다. 국방, 우주 기술과 같이 Top-Down 방식을 기반으로 한 장기적이고 전략적인 지원도 시급해 보입니다.
그러한 만큼 2030년대 세계 4대 양자 강국에 진입할 수 있도록 양자기술을 활용한 Q-플래그십 프로젝트가 추진될 것이고 산학연 및 정부, 민간의 역량을 총결집하여 협력체계를 구축할 것으로 보이고 있어 ‘대한민국 양자 기술’의 미래 귀추가 주목되고 있습니다.