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자, 영상을 시작하기 앞서 여러분이 이과생이든 문과생이든 중학생이든 고등학생이든 양자 역학에 관해 들어보셨거나 알고 계시다면 이런 이야기들이 떠오를 겁니다.
관측을 하기 전에는 확률로만 존재하다가 관측하는 순간 결정된다. 물질은 동이면 동시에 입자이기도 하다. 네, 정말 잘 알고 계시네요.
그런데 여러분들께서는 살면서 실제로 단 한 번이라도 확률로 존재하는 물체를 본 적이 있으십니까? 그럼 파동이 입자처럼 생긴 물질은? 네, 단 한 번도 없을 거라고 상담합니다. 왜냐하면 이것들은 우리 눈에 절대로 보이지 않기 때문이죠.
특별한 이유가 있어서 그런 건 아니에요. 그냥 너무나도 겁나게 작아서 그렇습니다. 우리가 눈으로 보고 듣고 느끼는 세상에서 일어난 일을 잘 설명하는 설명서가 뉴턴 역학인 것처럼, 거대한 우주에서 천체들이 어떻게 작동하고 시간과 공간이 어떻게 작동하는지를 잘 설명하는 설명서가 일반 상대성 이론인 것처럼, 정말로 극히 작은 세상 시스템 또는 개에서 일어나는 특성을 말해주고 예측하는 설명서가 바로 양자 역학입니다.
일반인 수준에선 여기까지만 알아도 괜찮습니다. 중첩이 하는 것들이 굳이 뭐라고 알 필요가 있겠습니까? 예, 그런데 이 영상을 클릭해 들어온 여러분이라면, 당신이 여지껏 몰랐던 진짜 양자 기술을 알고 싶은 여러분이라면, 이 영상 속에 나오는 다양한 실제 양자 기술을 접하기 이전에 꼭 반드시 짚고 넘어가야 하는 것이 바로 중첩과 얽힘의 개념이에요.
그 정도는 기본 아닌가요? 유튜브에서 이미 많이 봐서 다 알고 있는데요. 네, 맞습니다. 물론 그런 분들도 계시겠죠. 그런 분들이라면 리마인드하는 차원에서, 그렇지 않은 분들이라면 이후 영상의 내용을 위해 지금부터 제가 정리해 드리는 세상에서 가장 쉬운 얽힘과 중첩에 대해 귀를 쫑긋 세워 주시길 바라겠습니다.
그럼 시작해 볼까요? [음악]
먼저 중첩에 대해서 이야기해보죠. 교과서에서는 중첩에 대해 이렇게 쓰여 있습니다. 음, 제네 피셜이요. 문과생이 과학을 어려워하는 가장 큰 이유는 바로 용어가 낯설어서라고 확신을 가지고 단언할 수 있습니다.
아무리 과학에 관심이 많은 일반인이라도 양자학에 대해 양자는 뭐고 시스템은 또 뭐고 상태는 또 뭐고 하다 보면 아, 머리가 지끈지끈 아파옵니다. 저만 해도 미술에 대해 알고 싶어도 인상 주인이 표현 주인이 야수파이 뭐니 하면 일단 머리부터 아파 오거든요. 공감합니다.
그런데요, 그 용어들을 친절히 알고 나니 어렵다고 생각했던 미술의 개념들이 훨씬 더 쉽고 재미있게 들리더라. 사실 올바른 이해를 위해서는 용어를 정확하게 아는 것이 너무나 중요하지만, 유튜브를 보는 우리 모두가 과학자가 되고 싶은 건 아니잖아요. 그러니 느낌만 대략적인 느낌만 이해하고 넘어가 보자고요.
중첩의 설명에 나타난 시스템이라는 건 개 세계 방과 같이 어떤 현상이 일어나고 있는, 그래서 관심이 가는 영역을 말합니다. 키카 상태는 말 그대로 상태, 즉 그 녀석이 지금 어떤 상태인 가의 그 상태를 말합니다. 서 있는지, 누워 있는지, 돌고 있는지, 뭐 이런 행동에서부터 입장인지 파동인지 하는 그 녀석들이 무슨 상태인지를 결정지어 주는 어떤 특성이 있다면 그것을 우리는 상태라고 표현하는 거죠.
음, 그렇다면 이 문장은 이렇게 번역할 수 있겠네요. 어때요? 이전보다는 조금 더 와닿는 것 같나요? 예를 들어서 겁나게 작은 초미니 쿠키가 겁나게 작은 방 안에서 할 수 있는 것이라고는 서 있거나 누워 있거나 제자리 뛰기를 하는 것 말고는 없을 때, 그랬을 때 이 겁나게 작은 쿠키는 서 있거나 누워 있거나 제자리 뛰기 이 세 가지 것들을 모조리 동시에 하고 있다는 것입니다.
그리고 이 방 속에 있는 초미니 쿠키가 뭐 하고 있는지 외부에서 쓱 보려고 하면 이 세 가지 상태들 중 단 하나의 상태만 관찰된다는 것이죠. 그게 말이 되냐고 하실 수도 있는데요, 충분히 이해합니다. 왜냐하면 우리는 살면서 단 한 번도 뭔가 다른 특성이 동시에 진행되는 것을 본 적이 없거든요.
하지만요, 이것은 저번 영상에서 소개드린 데이비슨과 저머 실험 그리고 GP 톰슨의 실험을 통해 이미 증명된 결과입니다. 우리는 우리가 살고 있는 세계와는 다른 겁나게 작은 세계에서 펼쳐지고 있는 이상야릇한 자연현상을 받아들여야 된다는 거죠.
이게 SF 같다고 여겨질 수도 있지만요, 어쨌든 정말 똑똑하면서 외길만 집요하게 팠던 세계 천재들이 서로 자존심을 걸고 치열하게 한판 승부하면서 싸 올린 지금까지는 반박이 되지 않은 사실이죠.
음, 여튼 그래서 일단 우리는 겁나게 작은 시스템 방 또는 세계 안에서 일어나는 모든 특성은 중첩되어 있다는 사실을 잠시 기억해 주면 된다는 것이죠. 그렇기 때문에 어떤 양자 시스템의 중첩에 관해 이야기하려면 그 양자 시스템이 가질 수 있는 가능한 상태가 무엇이 있는지, 그리고 그 상태가 어떻게 만들어졌는지에 대해 관심을 가지면 됩니다.
일단 가능한 상태를 알고 어떻게 만들었는지 알면 그걸 어떻게 쓸 수 있는가에 대해서 생각해 볼 수 있을 테니까요. 다음으로는 얽힘에 대해 이야기해볼게요. 교과서는 얽힘을 이렇게 설명하던랍니다. 어라, 또 새로운 용어들이 등장을 했습니다.
양자 시스템은 중첩해 설명했으니 뭐 그렇다 쳐도 대체 강하게 연결되었다는 건 또 뭘까요? 연결 무수이 너 너의 이름은 장난이고요. 연결되었다는 것은 크게 어렵지 않습니다. 서로 다른 A, B가 있을 때 이 둘이 연결되었다는 것은요, 하나가 되었다는 것과 의미적으로 같다고 보시면 됩니다.
아, 물론 진짜로 하나가 되었다는 게 아니라요, 개 방 또는 시스템이 하나가 되었다는 것을 말하죠. 원래 독립적으로 운영되던 서로 다른 두 개의 시스템이 강하게 연결되면서 하나의 시스템처럼 작동하게 되었다는 것을 말하는 것입니다.
그렇다면 교과서의 설명은 이렇게 번역될 수 있겠네요. 이것이 바로 얽힘입니다. 음, 그런데요 이렇게 합방을 해 버리면 그 방 속에 원래 있었던 구성원들 사이에 특별한 결속이 생기게 되는데요.
예를 들어 방 A에 있던 초미니 쿠키와 방 B에 있던 초미니 마들렌, 둘 다 서 있는 상태 그리고 누운 상태만을 가질 수 있는 친구들이었다 가정해 볼게요. 그런데 이 둘이 얽힘 상태가 되어서, 즉 방 A와 방 B가 합쳐지게 되면서 이 둘의 상태도 얽힘, 즉 합쳐지게 됩니다.
이게 무슨 말이냐고요? 좀 더 구체적으로 알아보죠. 원래 방 A와 방 B가 따로 있었을 때 A, B 각각 확인하여 쿠키와 마들렌이 어떤 상태인가를 본다면 지금 보시는 것처럼 이와 같은 총 네 가지의 관찰 결과가 나타날 것입니다.
그런데 만약 두 방 A, B가 얽히게 된다면요, 가능한 상태는 이렇게 두 가지 또는 이렇게 두 가지밖에 나타날 수 없게 된다는 것이죠. 자, 그런데 이렇게 얽힌 상태가 된 양자 시스템은 참 유용한 특성이 있는데요.
딱 두 개만 얽혀 있는 양자 쌍들 중 하나를 멀리 떨어뜨려 놓고 하나의 양자 상태만 관찰한다면 어떻게 될까요? 아무리 물리적으로 떨어져 있더라도 이 두 개의 양자 상태는 하나의 방 시스템 또는 개 안에 들어 있습니다.
다시 말해 하나만 관찰하고 싶어도 늘 언제나 두 쌍이 함께 관찰된다는 것입니다. 그래서 반대쪽 양자 상태도 결정이 되며, 어떻게 얽혔던 우리는 그 양자 상태도 바로 알 수 있습니다.
어떻게 얽혔던 우리는 두 양자 시스템을 어떻게든 얽힘, 즉 합방할 수 있다면 두 양자 시스템의 상태가 한쪽의 관측을 통해 서로 함께 결정된다는 것이고, 이것이 곧 얽힘이죠.
잠깐, 대충 뭔 말인지는 알겠어. 그런데 우리가 무슨 신도 아니고 대체 양자 상태를 어떻게 만들고 또 어떻게 사용한다는 거야? 그렇죠. 저도 이게 양자 역할을 공부하면 할수록 가장 신기하면서도 궁금했던 부분입니다.
이 머리로는 알겠다 이겁니다. 과학자들의 연구도 알겠어요. 그런데 대체 어떻게 양자 상태를 만들 수 있는 거죠? 애당초 양자 시스템은 눈에 보이지도 않는다면서요? 게다가 설령 그런 양자 시스템을 만들 수 있다고 해도 우리가 무슨 재주로 서로 다른 두 양자 시스템을 얽힘 상태로 만들 수 있다는 걸까요?
네, 그 어려워 보이는 것이 놀랍게도 가능하더라. 지금부터는 정말로 양자 기술을 연구한다는 곳들에서 대체 어떻게 중첩과 얽힘을 구현하는지 보여 드리기 전에 간단하게 컨셉만 먼저 설명드릴게요.
중첩과 얽힘을 구현하는 데 있어서 가장 중요한 것은 두 가지인데요. 하나는 내가 양자 상태를 몇 개를 쓸 것이며 그것을 어떤 소재로 구현할 것인가입니다. 중첩과 얽힘을 구현할 수 있다면 그 방식이 뭐가 되었든 간에 양자 기술을 써먹을 수 있죠.
그런 기술들 중 가장 대표적으로 연구된 것이 바로 중첩과 얽힘을 이용하여 연산하는 양자 컴퓨터, 마찬가지로 중첩과 얽힘을 이용하여 정보를 나누는 양자 통신입니다. 그러니까 정리하자면 누군가가 중첩과 얽힘을 무엇으로 어떻게 구현했냐에 따라 무슨무슨 방식의 양자 컴퓨터 또는 무슨무슨 방식의 양자 통신 이런 식으로 구분이 된다는 것이죠. 간단하죠?
자, 그럼 지금부터 오로지 여기까지 참고 시청해 주신 여러분들을 위해 제가 직접 발로 뛰어가면서 보고 듣고 경험한 실제로 우리나라의 양자 기술 연구 기관들이 어떻게 중첩과 얽힘을 구현하는지 하나하나 뜯어볼 것입니다.
저희의 취재에 응해 주시고 도움을 주신 양자 기술 관련 국내의 연구 기관들에 한정하여 설명하고 있기 때문에 영상의 방식 이외에도 더욱 다양한 방식이 있을 수 있다는 점 양해 부탁드리고요. 그럼 본격적으로 아주 아주 진귀하고 신비한 곳으로 여러분들을 초대하도록 하겠습니다.
양자 기술하면 가장 먼저 떠오르는 건 역시 이것 아니겠습니까? 그것은 바로 한국 표준과학 연구원의 초전도 양자 컴퓨팅 시스템 연구단이 연구하고 있는 샹들리에처럼 생긴 슈퍼 하이퍼 울트라 냉장고죠. 엥, 이건 양자 컴퓨터 아닌가요? 네, 맞습니다. 양자 [음악] 도인데 그보다도 더욱더 낮은 온도에서 작동한다는 거죠.
실제 양자 컴퓨터 프로세서는 이 수많은 장치들의 맨 아래에 있는 이 조그만한 녀석이고, 그 위에 마치 샹들리에처럼 생긴 크고 작은 부품들은 대부분 온도 제어, 즉 냉각을 위한 부품들이라 생각하시면 됩니다.
이 샹들리에처럼 생긴 게 냉장고라는 건 알겠습니다. 그런데 굳이 이렇게 온도를 낮추는 건 무엇 때문일까요? 그것은 양자 컴퓨터의 연산에 사용되는 큐빗, 즉 중첩과 얽힘 상태를 만들 수 있는 하나의 방법이 온도를 낮추는 것이기 때문이에요.
아니, 정확하게는 낮은 온도에서만 달성할 수 있는 안정한 양자 시스템 때문이죠. 앞에서 제가 이 양자 컴퓨터를 초전도 공진회로 방식이라고 말씀드렸죠. 이 양자 컴퓨터에 사용되는 소자는 공진 회로라는 소자인데, 이 공진 회로 소자는 말하자면 근해와 같아서 외부에서 주어지는 특정한 주파수의 전자기파에 반응하는 특성이 있어요.
전자기파가 코일을 지나가면서 회로 속에 전류를 만들어 주게 되는데요, 그 전류의 출렁임이 전자파의 주파수와 딱 맞으면 회로 속의 전기 에너지가 점점 증폭되는 것이죠. 그러니까 일종의 안테나 같은 거예요.
그런데 여기에 코일 대신 회로를 초전도체로 만들고 그 사이에 특별한 소자를 넣으면 얘기가 달라져요. 회로 속에 전류가 만들어져도 에너지가 계속해서 증폭되지 못하죠. 오로지 딱 한 번만 에너지가 증폭되었다 사라지게 됩니다.
그러면 회로가 가지는 에너지 상태는 이전과 다르게 딱 두 가지의 상태가 됩니다. 네, 딱 두 가지의 상태가 돼요. 무슨 뜻인지 아시겠죠? 그렇습니다. 이 두 가지의 상태가 서로 중첩되어 존재하게 되는 것입니다.
이 같은 방식으로 큐빗을 구현하는 것이 바로 초전도 공진회로 방식, 즉 초전도 큐빗입니다. 회로를 잘 설계하면 서로 다른 초전도 큐빗들끼리 얽힘 상태로 만들 수도 있어요. 이렇게 되면 더욱더 복잡한 연산도 하고 큐빗들에서 발생하는 노이즈도 줄이는 등 보다 안정적인 양자 컴퓨터를 만들 수 있게 되죠.
초전도 큐빗은 현재까지 가장 앞선 양자 컴퓨터 기술이자 가장 많은 큐빗을 구현할 수 있었던 만큼 안정적이고 효율적인 방식이지만, 물론 단점도 있어요. 일단 0.01 K라는 초극저온 환경을 늘 유지해야 한다는 것이고요. 그리고 이 초전도 큐빗으로 만든 양자 컴퓨터들 사이에는 통신이 어렵다는 점이 바로 그것입니다.
그럼에도 불구하고 현재까지 가장 많은 큐빗을 구현한 양자 컴퓨터 방식임은 틀림없는 사실입니다. 추후 이 뒤에 소개할 다른 큐빗 방식들과 결합하여 단점을 보완해 나갈 수 있다고 하니, 이것을 기대하고 지켜보면 좋을 것 같습니다.
다음으로 만나볼 중첩과 얽힘을 구현하는 기술은 바로 빛을 이용하는 방식, 광자를 활용한 방식입니다. 광자는 뭐죠? 먹는 건가요? 음, 광자는 빛 알갱이 하나를 말해요. 엥, 빛 알갱이? 아니, 그게 뭐예요?
어, 설명하자면 복잡한데요. 일단은 아주 간단하게 딱 한 번만 떨린 전자에서 나온 빛 정도로만 생각해 보면 좋을 것 같습니다. 원래 빛이라는 게 전자를 마구마구 흔들면 만들어지는 것이거든요. 그런데 딱 한 번만 흔들었다고 해보는 거죠. 사실 이것도 뭐 정확한 표현은 아니지만 복잡한 건 나중에 생각하고 일단은 그렇다고 해 두자고, 빛의 최소 단위 같은 거라고 말이죠.
그런데 사실 빛은 파동의 성질이 있어서 전자를 어느 방향으로 어떻게 흔들었는지에 따라 떨림의 방향이 결정됩니다. 이렇게 특정한 하나의 떨린 방향을 갖추는 것을 우리는 편광이라고 부르는데요. 위아래로 떨면 수직 편광, 좌우로 떨면 수평 편광, 빙빙 돌면 원형 편광이라고 부르고, 뭐 이외에 다른 타원 편광, 너무 어렵잖아. 아, 네, 역시 그렇죠.
어쨌든 빛은 편광이란 이름의 특성이 있다는 정도만 알고 가셔도 좋습니다. 이 떨린 방향의 특성을 서로 다른 두 가지로 만들 수 있다면 초전도 큐빗과 마찬가지로 중첩과 얽힘을 구현할 수 있겠죠. 그렇죠?
빛을 활용하여 여러 실험을 구상하고 실제로 시현해 볼 수 있는 무대를 광학 테이블이라고 부르는데요. 이 광학 테이블에 여러 연구자들은 각자 자기만의 독창적인 방식으로 광자 큐빗을 구현할 수 있는데요. 그럼 본격적으로 각각의 방식에 대해서 알아볼까요?
저희가 가장 먼저 만나볼 설명은 한국과학기술연구원 양자기술 연구단의 김용수 박사님께서 도와주셨는데요. 과학 실험실에 있는 한 과학 테이블에서 그 방식을 확인해 볼 수 있었죠. 여기 큐브처럼 생긴 투명한 크리스탈이 있죠. 이것은 비선형 크리스탈이라는 것인데요. 여기에 아주 짧은 시간 간격으로 레이저를 바바밥 쏴 주게 되면 확률적으로 우연히, 그렇지만 정확히 딱 두 개의 광자가 만들어집니다.
이렇게 만들어진 두 개의 광자는 서로 얽힘 상태가 되는데요. 왜 그러냐고요? 우리는 이 광자들이로 만들어졌는지를 알기 때문이에요. 에너지는 또 뭐고 운동량은 또 뭐람? 음, 조금 더 쉬운 비유를 들어 설명하자면 이래요. 여기 로투스 조각이 있어요. 이제 눈을 가리고 로투스를 두 조각으로 쪼개 볼게요. 그런 다음 한쪽 로투스 조각을 보면 다른 쪽 로투스 조각이 어떻게 잘려 나갔는지를 알 수 있겠죠.
네, 두 루투스 조각은 연결되어 있는 것이죠. 광자도 나눠지기 전에 에너지와 운동량을 안다면 나눠졌습니다. 그때 한쪽 광자의 에너지와 운동량이 얼마인지를 앎으로써 다른 광자의 에너지와 운동량도 바로 알 수 있는 것이죠. 즉 두 광자는 얽힘 상태라는 것입니다.
오케이, 이제 두 광자가 얽혔다 건 알겠습니다. 이제 이 두 개의 광자를 잘 제어하면 각자의 편광 상태를 서로 다르게 만들어 줄 수 있습니다. 한쪽이 수직하면 한쪽은 수평하게, 또는 다른 한쪽이 수평하게 만들어줄 수 있죠.
이렇게 두 가지의 편광 상태를 중첩하고 얽힘 상태로 만들어 구현하는 것을 우리는 편광 큐빗이라고 합니다. 이 광학 테이블에서는 이렇게 생긴 두 개의 편광 큐빗 각각 20km 빙빙 감은 두 다발의 광섬유에 하나는 왼쪽으로, 하나는 오른쪽으로 보내 잘 제어하고 측정하면서 큐빗의 특성이 잘 나타나는지를 연구하도록 되어 있었어요.
이와 같은 방식으로 얽힘 상태를 물리적으로도 멀리 보낼 수 있는 것입니다. 정말 놀랍죠? 와, 진짜 신기한데 비선형 크리스탈에서 진 두 광자를 활용하는 법 말고도 또 다른 방법으로 광자 편광 큐빗을 구현하는 방법이 있습니다.
그 방법에 대한 설명은 한국 표준과학 연구원의 박희수 박사님께서 도와주셨는데요. 그런데 이 방법이 정말 들으면 들수록 기가 막힌 말이죠. 그 방법은 바로 하나하나 잘 제어한 광자 두 개를 각각 수평 편광과 수직 편광 상태로 만들어 하나로 합치는 것인데요.
아니, 어떻게 광자를 하나씩 컨트롤해서 원하는 순간에 딱 하나로 합칠 수 있는 거죠? 놀랍게도 이게 실제로 가능하다니. 여기 보이는 베이지 색깔의 박사 안에는 앞의 실험과 마찬가지로 비선형 크리스탈이 들어 있어요. 그런데 이 크리스탈은 앞의 것과는 달리 갈라지는 두 개의 광자가 서로 다른 파장 영역을 지니게 되는 크리스탈이 하나는 우리 눈에 보이는 빛으로, 다른 하나는 통신 파장 영역의 빛으로 나오죠.
이들 중 통신 파장 영역의 빛은 광자 큐빗 만드는 데 사용되고, 다른 하나, 즉 눈에 보이는 녀석은 광자가 언제 만들어졌는지를 알아내는 용도로만 사용하죠. 이렇게 하면 언제 어느 시점에 광자가 만들어졌는지 정확하게 알아낼 수 있습니다.
자, 그리고 여기서부터가 정말 신기한 부분인데요. 처음에 만들어진 광자와 나중에 만들어진 광자가 얼마만큼의 시간 간격으로 만들어졌는지를 알면, 처음 방출된 광자를 긴 다발로 빙빙 두는 광섬유 안에 넣고, 나중에 방출된 광자는 짧은 다발 안에 넣어서 두 광자가 정확하게 동시에 나올 수 있도록 방출 시간을 제어할 수 있다고 합니다.
이렇게 하면 서로 다른 두 편광 상태의 두 개의 단일 광자를 만들어 낼 수 있게 되고, 이것으로 광자 편광 큐빗은 만들 수 있는 것이죠. 그걸 그렇게 한다고요? 대박! 야, 어떻게 이런 생각을 할 수 있는 건지 정말 대단하죠. 이렇게 만든 광자 큐빗으로 QKD하고 양자 보안 관련된 여러 연구들을 진행하고 있다고 합니다. 정말 멋지고 대단합니다. 그죠?
그런데 여기서 끝이 아니에요. 또 다른 방식의 광자 큐빗은 한국 전자통신 연구원 양자 기술 연구 본부의 이종무 박사님께서 설명을 도와주셨어요. 연구실에서는 2024년 9월에 보도된 연구 내용인 세계 최초 실리콘 포토닉스 기반의 큐빗 양자 컴퓨터 칩을 확인해 볼 수 있었는데요. 그 칩은 바로 이것이죠. 엄청나게 작죠.
이 칩 위에는 정말 복잡한 형태로 얽히고 설킨 양자 회로가 있었는데요. 사실 핵심은 이거예요. 엥, 이게 뭐예요? 이건 광자, 즉 빛이 지나가는 길이 두 갈래에서 하나로 모였다가 다시 쪼개지는 소자인데, 광자를 초미니 쿠키라고 한다면 이 길은 두 갈래의 초미니 미끄럼틀 같은 것이죠.
원래라면 이 미끄럼틀은 초미니 쿠키가 왼쪽에서 출발하든 오른쪽에서 출발하든 중앙에서 확률적으로 왼쪽 또는 오른쪽으로 내려가는 모습으로 작동할 거예요. 그런데요, 만약에 완전히 똑같은 시간에 완전히 똑같은 초미니 쿠키 둘이서 내려간다고 가정한다면 마법 같은 일이 일어나게 되죠.
이렇게 되면 내려간 두 초미니 쿠키는 반드시 둘 다 왼쪽으로 내려오거나 또는 둘 다 오른쪽으로 내려올 수밖에 없게 됩니다. 그게 대체 무슨 말이야? 네, 압니다. 황당하게 그지 없다는 거 저도 알아요. 그런데요, 초미니 쿠키가 아니라 광자가 지나가면 정말로 그런 일이 일어납니다.
이렇게 되면 확률적으로 광자가 위로 지나가게 될지 아래로 지나가게 될지 알 수 없는 상태가 만들어지게 되는데요. 이 두 가지의 상태, 네, 그렇습니다. 이렇게 빛의 경로를 활용해 중첩과 얽힘을 만드는 방식을 우리는 광자 경로 큐빗이라고 부르고 있고요. 이번에 애틀리 연구에서 발표한 큐빗은 바로 이와 같은 광자 경로 큐빗 구현이 되어 있답니다.
물론 이처럼 큐빗을 만들기 위해 어마어마하게 어렵고 복잡한 칩 디자인이 필요했지만 말이죠. 음, 어쨌든 대단하다는 건 알겠네요. 그렇죠? 그런데 이뿐만이 아닙니다. 애틀리 양자통신 연구실에서는 광자 큐빗으로 구현한 두 가지 방식의 QKD 연구를 확인해 볼 수 있었는데요.
이것의 연구에 대한 설명은 임경천 박사님께서 도와주셨습니다. 광자 큐빗을 활용하는 대표적인 양자 기술인 QKD는 광케이블과 같은 형태의 유선 방식으로 구현할 수도 있지만, 선이 없는 공간 상태에서도 구현할 수 있어요. 유선 QKD는 광자 큐빗이 지나가는 길을 두 개로 만들어서 한쪽 길을 의도적으로 조금 더 길게 만드는 방식인 위상 큐빗을 활용했고, 자유공간 QKD는 광자의 편광 상태로 빛을 구현하는 편광 큐빗을 활용했죠.
그런데 정말 신기했던 것은 자유공간 QKD 편광 큐빗의 상태를 두 개가 아닌 세 개를 사용한다는 점이었는데요. 왜냐하면 키들을 주고받는 플랫폼들이 공간상에서 움직이기 때문에 그들 사이의 움직임을 잘 정렬하지 않으면 서로 나눠지는 편광 신호가 제대로 나눠지지 않기 때문이라고 합니다. 참 신기하죠?
광자 큐빗을 활용한 연구는 보셨던 바와 같이 QKD, 즉 양자 보안과 양자 통신 분야에서 많이 연구되고 있어요. 그런데 기술 연구의 목표는 결국 우리가 그것을 잘 쓰기 위함이죠. 이것에 대해서는 KIST의 양자 기술 연구단의 한상욱 단장님께서 직접 설명해 주셨는데요.
과학 테이블에서 구현 가능한 것들을 실제로 기술로 이용하기 위해서는 작게 만든 10으로 만들 필요가 있다고 해요. 트리에서 개발한 큐빗 광경로 양자 컴퓨터처럼 말이죠. 그래야 전력 소모도 적고 휴대하기도 편하고 또 대량 생산도 가능할 테니까요.
그런데 기존 반도체 제조 랩에서는 기존에 만들던 반도체 물질 말고 새로운 물질로 제조를 시도하는 것에 극도로 예민하다고 해요. 왜냐하면 그 새로운 물질이 공정 안에 들어왔다는 것만으로도 기존 반도체 제조에 악영향을 줄 수 있다고 하거든요. 한두 푼 하는 시설도 아닌데 리스크를 짊어지기에는 손해가 막심할 테니까요.
그래서 KIST에서 자체적으로 생산과 테스트가 가능한 그러면서도 양자 기술을 연구하는 모든 연구자들이 사용 가능한 양자 팹을 2025년을 목표로 구축 중이라고 합니다. 이렇게 되면 양자 기술을 칩으로 만들고자 하는 연구자들이 눈치 보지 않고 보다 편리하게 이용할 수 있는 제조 시설이 생기게 되는 것이니 양자 기술 연구에 정말 큰 도움을 줄 수 있지 않을까라는 생각이 드네요. 양자 팹 파이팅!
광자를 이용한 방식은 앞선 초전도 방식에 비해 노이즈를 덜 타고 매우 안정적인 양자 상태를 만들어낼 수 있다는 장점이 있지만, 말 그대로 광자 하나, 그러니까 매우 매우 매우 약한 세기의 빛을 활용하는 방식이기 때문에 쉽게 정보가 손실된다는 문제점이 있죠.
그렇기 때문에 얽힘 광자 수가 늘어나면 늘어날수록 또는 얽힘 광자를 멀리 보내려고 할수록 손실의 확률은 점점 더 커지게 된다고 해요. 그래서 이 분야에서는 신호의 손실 문제를 엔지니어링이 소재 단에서 해결하기 위한 방안이 함께 연구되고 있습니다.
자, 그리고 또 하나 중첩과 얽힘을 구현할 수 있는 방식이 하나 더 있습니다. 그것은 바로 반도체 결함 또는 질소 공동 센터 방식을 이용하는 것이죠. 반도체 결함 방식, 결함이라니 고장난 건가요? 질소 공동 센터, 이름부터 어렵잖아요.
자자, 하나하나 해결해 볼게요. 먼저 결함, 여기서 말하는 결함은 고장을 말하는 게 아니에요. 의도적으로 반도체의 결함을 찾거나 만들어낸 거랍니다. 자연적으로 발생한 반도체 안에 크히 작은 결함, 양자점이 임의적으로 반도체의 미세한 결함을 만들어 쓰는 거죠.
아니, 반도체에 결함이 있으면 있는 거지, 그렇다고 뭐가 달라지나요? 네, 좋은 질문이에요. 반도체에서 결함이 만들어지면 이 구멍 주변에서 전자가 특정한 몇 개의 에너지 상태에 갇히게 되거든요. 잠깐, 특정한 몇 개의 에너지 상태? 네, 맞아요. 이 갇힌 전자는 단 몇 개의 에너지 상태가 중첩된 상태로 존재할 수 있는데요. 이를 이용해 큐빗을 구현하는 것이 반도체 결함을 이용한 방식인 것이죠.
반도체의 결함이 전자를 가두는 겁나게 작은 감옥에 역할을 한다고 생각하면 쉽습니다. 오, 신기하네요. 그런데 어떻게 중첩과 얽힘을 만들죠? 네, 그게 핵심이겠죠. 간단히 말하면 결함에 갇힌 전자의 상태를 레이저로 제어하는 것인데요. 두 가지 상태만을 동시에 가지게 만들어서 중첩을 구현하고, 두 반도체 결함 사이에 상호 작용을 만들어 얽힘을 구현하는 것이죠.
결함들 그리 빛을 교환하도록 하거나 전자의 스핀을 아는 상태를 활용해 얽힘 상태를 만들 수 있죠. 아니, 스핀은 또 뭔데? 음, 너무 복잡하게 이해하기보다는 그냥 감옥 안에 갇혀 있는 전자가 가질 수 있는 하나의 특성 정도로 생각해 주시면 좋을 것 같습니다.
뭐 여튼 반도체 결함 방식은 기존의 반도체 제조 공정을 기반으로 하기 때문에 기존 인프라를 활용해 대규모 생산이 가능하다는 매우매우 큰 장점이 있어요. 인프라가 있으니 당연히 생산 단가도 저렴하게 할 수 있죠. 또 반도체 공정에서 사용했던 매우 작은 크기를 가공하는 능력을 그대로 사용할 수 있어 집착하기도 쉽고 다수의 큐빗을 구현하는 데 있어서도 나름의 잠재력이 있습니다.
초전도 큐빗만큼 극저온 필요도 없어요. 하지만 반도체 내부의 결함은 주변 환경에 다소 취약하기 때문에 어느 정도는 저온을 유지해야 하고, 결함의 위치를 아직까지는 세밀하게 제어할 수 없으며, 마지막으로는 큐비 사이의 연결성을 확장하는 데 어려움을 겪고 있다고 합니다.
반도체 결함은 이제 좀 알겠다 이 말이야. 그러면 질소 공동 센터라는 건 또 뭐야? 네, 등장한 여러 개념 때문에 머리가 아프실 만도 할 것 같아요. 그래서 좀 더 쉽게 풀어서 설명해 볼게요. 질소 공동 센터는 다이아몬드라는 반짝이는 소재 안에서 만들어지는 아주 특별한 결함입니다.
다이아몬드요? 그 비싼 거요? 네, 그 다이아몬드가 맞습니다. 다이아몬드는 탄소가 빽빽히 결합한 구조인데요, 이 구조 안에 어쩌다 우연히 들어간 질소 원자 하나 때문에 그 옆에 빈자리가 만들어지는 거죠. 이렇게 생긴 질소 공동 센터는 전자의 스핀 상태를 아주 잘 저장하고 제어할 수 있는 특성을 가지게 됩니다.
그니까 전자 스핀이 대체 뭐냐고요? 네, 반도체 결함에서 나온 스핀과 동일한 스핀인, 그러니까 전자가 가질 수 있는 어떤 상태 중 하나라는 뜻이죠. 자, 이제 상태라는 말에 무언가 불연듯 떠오르는 개념 하나가 있다면 이번 영상은 성공한 것 같습니다.
네, 맞습니다. 질소 공동 센터는 이 전자 스핀의 상태를 이용해 중첩과 얽힘을 구현합니다. 다이아몬드의 NV 센터는 외부 환경으로부터 상대적으로 안정적이며, 외부 자극에 민감하지 않아 큐빗의 신뢰성이 높고 실온에서도 작동이 되며 레이저를 활용하여 NV 센터의 상태를 제어하고 광자 방출로 상태를 읽을 수 있어 제어하기도 용이하죠.
그리고 무엇보다도 강력한 NV 센터만의 장점은 다른 큐빗에 비해 양자 상태를 오랫동안 유지할 수 있다는 특징입니다. 그래서 광자를 활용한 원거리 양자 통신을 NV 센터로 구현하려는 시도가 계속해서 진행되고 있는 것이죠. 다만 다이아몬드를 사용하기 때문에 제조 비용이 높고, 반도체 결함과 마찬가지로 아직까지는 NV 센터를 원하는 대로 만들기가 어렵다는 단점도 있습니다.
또 NV 센터에서 방출되는 광자의 양과 효율이 매우 낮아 대규모 양자 컴퓨팅 구현에는 추가적인 기술 개발이 필요한 실정입니다. 둘 다 굉장한 친구들이었는데, 네 그렇죠. 전자의 스핀을 이용하다 보니까 그런 것 같습니다.
그런데요, 반도체 결함이 NV 센터든 주변 환경에 상대적으로 예민하다는 단점은 다른 점에서 봤을 때는 장점이 되기도 합니다. 이 녀석들을 센서처럼 활용할 수도 있거든요. 네, 이것이 바로 양자 센서입니다.
양자 센서를 활용하면 아주 작은 바이러스의 막단 백지를 이미지화할 수 있는 초소형 MRI 만들 수 있고요. 또 엄청나게 어두운 환경에서 노이즈가 없는 초고감도의 이미지 센서로 활용될 수도 있다고 하죠. 자, 지금까지 저희는 중첩과 얽힘을 어떻게 만드느냐에 따른 다양한 큐빗의 방식과 양자 센서에 대해서 알아보았습니다.
어떻셨나요? 조금은 감이 잡힐 것 같기도, 그렇지 않은 것 같기도 하신가요? 그런데 말입니다. 대체 왜 이렇게 중첩과 얽힘을 구현하는 방식이 천차만별 다르고 종류도 많은 걸까요? 그 이유는 아직 우리가 중첩과 얽힘을 어떻게 하면 보다 정교하고, 보다 잘 만들면서도 보다 값싸게 만들 수 있는지를 아직 잘 몰라서 그렇습니다.
그래서 이 모든 연구에 접근 방법은 사실 중첩과 얽힘을 대체 어떻게 하면 잘 만들 수 있을까에 관한 연구라고 생각해 주시면 되는 거죠. 크리스가 앞으로 2년 뒤에 만들 초전도 큐빗을 활용한 50 큐빗의 양자 컴퓨터든, 크리스와 에트리 그리고 KIST에서 연구 중인 양자 보안 기술이든, KIST와 KAIST의 실증 연구로 상용화에 성공한 유선 QKD 기술이든, 에트리의 유무선 QKD 기술, 에트리의 광자 큐빗 기반 양자 컴퓨터 기술, 에트리의 반도체 결함 기반의 양자 정보 통신 기술, KIST의 NV 센터를 이용한 양자 중계 기술, 마찬가지로 NV 센터를 이용한 양자 컴퓨터 기술이든, 이 모든 기술이 어떤 큐빗을 활용해 얼만큼 양자 상태를 잘 유지하고 또 우수한 양자 상태를 만들고 또 이것을 얼만큼 잘 활용할 수 있을 것인지를 연구하고 있는 것이니까요.
그럼 대체 우리는 양자 기술을 언제쯤 만나볼 수 있는 건가요? 음, 사실은요, 우리는 이미 양자 기술 중 하나인 QKD를 연중에 사용했을지 몰라요. 이미 세종시의 KT 통신라인 중에서 일부는 QKD를 쓰고 있다고 하거든요.
미국과 중국은 이미 양자 컴퓨터와 양자 통신 기술에 천문학적 돈을 쏟아부으며 한 시간 급하게 기술 확보에 만전의 노력을 기울이고 있고요. 싱가포르는 국가 차원에서 양자 기술 산업의 막대한 비용과 투자 세금 절감을 통해 양자 기술 기업을 유치하려는 노력을 기울이고 있죠.
양자 기술은 이제 단순히 이론이나 실험실에 머무르는 것이 아니에요. 양자 컴퓨터, 양자 통신, 양자 암호화는 이미 우리 생활에 점차 가까워지고 있고, 양자 센서는 세상을 관찰하고 측정하는 방식을 완전히 새롭게 바꿀 잠재력을 지니고 있죠.
양자 기술은 이제 시작을 코앞에 두고 있어요. 앞으로 펼쳐질 이 놀라운 여정 속에서 여러분과 함께 그 변화의 순간을 목격하게 될 거라는 사실에 기대가 되기도, 또 한편으로는 막연한 걱정이 들기도 하는데요. 그렇지만 이 영상을 통해 함께 달려온 여러분들과 함께라면 양자 기술이 만들어갈 미래를 조금은 더 가까이에서 기대해볼 수도 있을 것 같습니다.
기술의 발달에는 늘 크고 작은 리스크가 따른다. 그럼에도 불구하고 과학 기술의 본질은 인간의 생활을 이롭게 하기 위함이기에. [음악] [음악] [박수]