차세대 컴퓨터인 '위상 양자컴퓨터' 소자의 중요한 물리학적 특성이 한국 스웨덴 그리스 등의 국제 공동연구로 처음 밝혀졌다.
한국기초과학연구원 소재분석연구부 김해진 책임연구원팀은 '위상절연체'인 비스무스텔루라이드(Bi2Te3)의 표면 전자 움직임을 처음으로 확인했다고 10일 발표했다. 위상절연체(topological insulator)는 내부는 절연체(전기가 안 통하는 물질)고 표면에서만 2차원적으로 전기가 흐르는 특이한 부도체다. 불변량 등 위상수학적 속성을 갖는 물질인 '위상물질'의 일종이다. 에너지 손실 없이 전기 전도가 가능해 양자컴퓨터 소자로 쓰일 것으로 기대되고 있다.
이론적으로는 위상절연체 표면에서 움직이는 전자를 내부로 끌어들여 도체로 만들 수 있다. 때에 따라 전기가 흐르고 막히는 반도체와 같은 특성을 부여할 수 있는 셈이다.
현재 실리콘 반도체는 소스-드레인 전자 이동을 통해 0과 1(0 또는 1) 상태만을 구현한다. 이른바 '비트'다. 그러나 위상절연체 기반 반도체는 전자의 스핀 상태를 구현할 수 있기 때문에 '큐비트(0 그리고 1)' 연산이 가능해진다. 이른바 '스핀 큐비트'다. 스핀은 전자의 양자역학적 운동량을 기술하는 물리량이다. 전자가 팽이가 돌듯 나선 형태로 솟구치거나 아래로 내려가는 것을 연상하면 된다. 통상 업스핀(위쪽), 다운스핀(아래쪽)으로 구분되며 스핀에 따라 자기장의 특성이 달라진다.
연구팀은 비스무스텔루라이드의 표면에 있는 일명 '디락 전자'가 내부 표면으로 확산되는 과정을 처음으로 규명했다. 육면체 형태의 비스무스텔루라이드를 제작한 뒤 자체 보유한 초고분해능 수차보정 투과전자현미경과 해외 연구진이 보유한 핵자기공명분광기(NMR) 등 장비를 써서 움직임을 관찰했다. 그 결과 그동안 알려지지 않았던 특정 지점(T3) 표면에서 디락 전자가 존재하고, 이를 내부로 끌어내리고 올릴 수 있다는 사실을 확인했다. 전자 움직임과 모양, 에너지를 양자역학적으로 계산하는 수학 도구인 범밀도함수(DFT)를 썼다.
김해진 책임연구원은 "디락 전자는 양자역학계에서 존재가 알려져 있었지만 구체적 움직임은 그동안 밝혀진 바 없다"고 말했다. 디락 전자의 움직임을 규명한 것은 베일에 싸여있는 위상절연체 특징을 밝혀낸 것이고, 이로써 위상 양자컴퓨터 구현에 한걸음 더 나아갔다는 설명이다. 현재 마이크로소프트(MS) 등 각국 글로벌 기업이 정부 지원 하에 위상 양자컴퓨터 구현을 위한 연구개발(R&D)을 진행하고 있다. 위상 양자컴퓨터는 IBM 구글이 개발중인 '초전도큐비트' 방식 양자컴퓨터와는 작동방식이 다르다.
이번 연구엔 기초과학연을 비롯해 스웨덴 스톡홀름대, 그리스 데모크리토스 연구소, 아랍에미리트(UAE) 칼리파대, 슬로베니아 요제프 스테판연구소 등 6개국 연구진이 참여했다. 그리스와 UAE는 범밀도함수 등 계산과학 연구를 담당했다. 핵자기공명분광기(NMR) 연구는 스웨덴이 전담했다. 기초과학연은 비스무스텔루라이드 소재를 제작하고 전자현미경으로 분석한 뒤 이 데이터를 계산과학 팀(그리스와 UAE)에 전달했다. 이번 연구성과는 글로벌 학술지 네이처의 자매지 '네이처 커뮤니케이션즈' 9일자에 실렸다.
“한국이 세계 양자암호통신 시장 선두를 지키기 위해서는 투자를 크게 늘려야 한다.”그레고아 리보디 IDQ 최고경영자(CEO·사진)는 19일 한국경제신문과의 이메일 인터뷰를 통해 이같이 말했다. 한국은 SK텔레콤이 2018년 스위스 IDQ를 인수하면서 세계 최고 수준의 양자암호통신 기술력을 확보했다.리보디 CEO는 “IDQ와 SK텔레콤은 지난해 3월 서울~대전 구간 5세대(5G) 이동통신 상용망에 양자암호통신을 적용하고, 관련 기술을 미국과 유럽에 수출해 세계 양자암호통신 시장 개척자로서의 기반을 다졌다”고 강조했다. 하지만 “유럽 등이 양자암호통신 기술 투자를 크게 늘리며 빠른 속도로 추격하고 있다”고 지적했다.데이터 폭증하는 ‘슈퍼 시대’리보디 CEO는 “5G와 사물인터넷(IoT) 도입으로 모든 게 연결되고 데이터가 기하급수적으로 늘어나는 슈퍼 시대가 오고 있다”고 내다봤다. 시장조사업체 HIS와 가트너의 전망을 인용해 “2026년까지 세계적으로 약 4300억 개의 사물(기기)이 연결될 것”이라고 설명했다. 이어 “자율주행자동차, 원격의료, 스마트공장 등이 현실화하면 데이터는 물론 네트워크 보안에 필요한 양자암호통신이 훨씬 더 중요해질 것”이라고 강조했다.기존 컴퓨터는 0 과 1 중 하나의 정보만 가지는 비트(bit)로 연산한다. 양자컴퓨터는 0과 1의 정보를 동시에 갖는 양자비트(quantum bit)를 활용해 초고속으로 병렬 연산한다. 129자리 자연수를 소인수분해하는 데 일반 고성능 컴퓨터는 1600대로 8개월 걸린다. 양자컴퓨터는 한 대로 수시간 내 연산이 가능하다.슈퍼컴퓨터를 능가하는 양자컴퓨터가 상용화하면 기존 암호체계는 모두 뚫릴 것으로 전문가들은 관측한다. 양자암호통신은 이를 막을 차세대 보안기술로 꼽힌다. 양자컴퓨터가 창이라면 양자암호통신은 방패인 셈이다. 양자는 비눗방울처럼 미세한 자극에도 상태가 변하는 특성이 있다. 이런 특성을 활용해 제3자의 정보 탈취 시도를 재빨리 파악해 무력화하는 것이 양자암호통신의 핵심 기술이다.“양자암호통신으로 서비스 차별화”미국과 중국, 유럽은 양자기술이 미래 산업 지형을 바꿔놓을 것으로 보고 투자에 나섰다. 미 의회는 5년간 12억달러(약 1조3900억원)를 양자기술에 투자하는 ‘국가 양자 이니셔티브’ 법안을 통과시켰다. EU는 10년간 10억유로(약 1조2900억원)를 투자하는 퀀텀 플래그십 프로젝트를 출범시켰다. 한국 정부는 지난해 초 양자컴퓨팅 기술 개발에 5년간 445억원을 투자하겠다고 발표했다. “미국 중국 등에 비해 너무 작은 투자 규모”란 지적이 나오고 있다.SK텔레콤과 IDQ는 양자암호통신 사업에 속도를 내고 있다고 리보디 CEO는 밝혔다. “(올해부터 세계 주요국이 도입하는) 5G 통신망은 디지털 트랜스포메이션(디지털 전환)을 가속화할 것”이라며 “보안에 민감한 기업 간(B2B) 거래 고객들이 양자암호통신 도입에 관심이 높다”고 말했다. 이어 “5G 통신망에 양자암호통신 기술을 적용하면 다른 통신사와 차별화한 서비스를 제공할 수 있다”고 강조했다.그는 “IDQ는 민간 공공 등 여러 분야에 걸쳐 다양한 파트너사와 양자암호통신 기술을 적용한 시범서비스를 하며 협업하고 있다”고 했다. 또 “올해 IDQ의 양자센싱기술을 적용한 솔루션을 유럽 우주발사체기업 아리안그룹의 아리안6 로켓에 적용할 예정”이라고 밝혔다.양자암호통신뿐만 아니라 양자센싱 시장도 빠른 속도로 성장할 전망이다. 미세한 크기의 양자를 검출하고 계측하는 양자센싱 기술은 자율주행, 바이오(정밀의료), 반도체 등 다양한 첨단 정보통신기술(ICT) 분야에서 폭넓게 활용될 것으로 보인다. IDQ는 양자암호통신뿐만 아니라 양자센싱 분야에서도 독보적인 기술력을 확보하고 있다.■ 양자컴퓨터연산 능력이 슈퍼컴퓨터보다 월등히 뛰어난 차세대 컴퓨터다. 구글은 최고 슈퍼컴퓨터로 1만 년 계산해야 풀 수 있는 수학 문제를 3분20초 만에 푸는 양자컴퓨터를 개발한 것으로 알려졌다. IBM과 마이크로소프트(MS), 인텔, 아마존웹서비스(AWS) 등도 양자컴퓨팅 기술 개발에 뛰어들었다.■ 양자암호통신양자컴퓨터 상용화로 기존의 모든 사이버 암호체계가 뚫릴 가능성이 높다. 양자컴퓨터가 창이라면 양자암호통신은 방패다. 5세대(5G) 이동통신 도입으로 데이터 전송량이 폭증할 전망이어서 각국 통신사 등은 양자암호통신 기술 개발 경쟁을 벌이고 있다.전설리 기자 sljun@hankyung.com
SK텔레콤과 자회사 IDQ는 지난해 11월 세계 두 번째 양자암호통신 상용망을 미국에 구축했다. 지난해 3월 SK텔레콤 서울~대전 구간 통신망에 이어 두 번째로 상용 통신망에 양자암호통신 기술을 적용했다.SK텔레콤은 미국 괌·사이판 이동통신사 IT&E의 LTE망에 양자암호통신의 핵심 기술 가운데 하나인 양자키분배기 기술을 적용해 송수신 보안을 강화했다. IT&E는 통신망 보안을 강화하기 위해 SK텔레콤의 양자기술에 20만달러(약 2억3000만원)를 투자했다.짐 월러킹 IT&E 최고경영자(CEO)는 “양자암호통신은 세계 보안 시장에 혁신을 가져올 것”이라며 “SK텔레콤과 IDQ의 기술로 세계에서 가장 안전한 통신망을 구축했다”고 말했다.SK텔레콤과 IDQ는 앞서 유럽과 미국에 양자암호통신 기술을 잇달아 수출했다. 유럽연합(EU)이 구축하는 유럽 양자암호통신망 사업의 1위 공급사로 참여하기로 했다. 1500만유로(약 190억원)의 예산을 투입해 스위스 제네바, 독일 베를린, 스페인 마드리드 등 유럽 주요 도시에 1400㎞의 양자암호통신 시험망을 구축하는 사업이다.미국 양자통신 전문기업 퀀텀익스체인지와 함께 뉴욕과 뉴저지를 잇는 미 최초의 양자암호통신망도 구축했다. 뉴욕 월스트리트와 뉴저지 데이터센터를 연결해 월스트리트 금융정보를 지키는 데 양자암호기술을 적용했다. SK텔레콤은 국내 5세대(5G) 이동통신 가입자 인증 서버에도 양자난수생성기를 적용해 보안을 강화했다.SK텔레콤은 2018년 스위스 IDQ에 약 700억원을 투자해 1대 주주가 됐다. IDQ는 양자암호통신의 독보적 핵심 기술인 양자키분배기, 양자난수생성기 등을 보유하고 있다. 양자키분배기는 통신망의 데이터 송신부와 수신부에서 양자 암호키를 동시에 생성·분배한다. 양자난수생성기는 양자의 특성을 활용해 패턴이 없는 ‘순수 난수’를 생성한다. 해킹으로 정보를 탈취해도 패턴이 없기 때문에 해석이 불가능하다.SK텔레콤 관계자는 “SK텔레콤의 통신사업 역량과 IDQ의 원천기술이 시너지를 내 1년여 만에 성과를 거두는 등 사업을 빠른 속도로 확장하고 있다”고 말했다.전설리 기자 sljun@hankyung.com
'레고 블록이 양자컴퓨터 발전에 획기적인 기여를 할 수 있다.' 맨발로 레고 블록을 밟아본 사람은 누구나 그 조각이 얼마나 단단한지 알 것이다. 그 견고함은 레고가 전 세계 어린이는 물론 어른들에게까지 사랑받는 이유 중 하나다. 영국 랭커스터대 과학자들은 최근 아주 특이한 실험을 하나 했다. 레고 블록을 절대영도 근처까지 얼려본 것이다. 절대영도는 이론적으로 가장 낮은 온도다. 섭씨 온도로 영하 273.15도다. 이 온도에 이르면 어떤 물질이든 저항이 전혀 없이 전기를 흘려보낼 수 있는 등 다양한 물리적 특성이 나타난다. 랭커스터대는 현재 세계에서 가장 낮은 온도를 만들어낼 수 있는 냉동장비를 보유하고 있다. 이 대학 과학자들은 레고 블록을 절대영도보다 불과 0.004도 높은 온도까지 얼렸다. 과학자들이 레고 블록을 얼린 것은 레고 재질의 열을 차단하는 절연 성질을 분석하기 위해서였다. 네개 층으로 쌓은 레고 블록 맨 위층에 작은 히터를 달고, 절대영도에서 가동해 보니 가장 아래층에는 온도 변화가 '전혀' 없었다는 결과를 얻어냈다. 실험을 주도한 드미트리 즈미에브 박사는 "레고의 재료인 ABS(아크릴 부타디엔 스타이렌) 수지와 블록의 독특한 결합 방식 덕분에 온도 차단 효과가 매우 높은 것으로 분석된다"고 말했다. 과학자들이 이렇게 레고 블록까지 동원해 절연 실험을 하는 것은 미래 컴퓨터로 주목받고 있는 양자컴퓨터의 개발을 위해 고성능 절연체가 필수적이기 때문이다. 양자컴퓨터는 양자역학이 적용되는 초미세 환경에서 원자의 간섭, 중첩 등의 원리를 활용해 연산을 하는 컴퓨터다. 기존 컴퓨터보다 훨씬 복잡한 계산을 빠른 시간에 해낼 수 있어 IBM, 구글, 인텔 등 기술 선도 기업들이 대거 개발에 뛰어들었다. 현재 개발 중인 양자컴퓨터의 상당수는 간섭이나 중첩 등의 현상을 발현하기 위해 절대영도 부근에서 가동하고 있다. 랭커스터대 연구팀은 "이번 연구는 특정한 절연체 배열 방식이 절연 성능을 크게 높여줄 수 있다는 가능성을 보여준다"고 설명했다. 강현우 기자 hkang@hankyung.com
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