임 종우
이미지 출저 : https://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2020/10/16/2020101603024.html
이번 주 가장 큰 화제를 모으고 있는 소식이 있습니다.
이 화제는 고려대 출신의 연구자와 퀀텀에너지연구소 일동이 상온·상압 초전도 현상을 구현했다고 발표했습니다.
초전도체(Superconductor)란 특정 온도에서 전기 저항이 없거나 매우 낮아지는 물질로,
외부 자기장의 영향을 받거나 전류가 흘러도 전기저항이 없기때문에 전력손실이 발생하지 않는 장점이 있습니다.
현재까지 알려진 초전도체는 약 영하 200℃ 이하 극저온 또는 초고압 환경에서만 초전도 현상을 구현할 수 있었으나,
최근 2019년 독일의 한 연구소가 23℃에 167만배에 달하는 대기압 속에서 초전도 현상을 구현했습니다.
현재까지의 초전도체는 저온에서만 작동하므로 냉각장치를 필요로 하며, 이에 냉각 장치같은 비용적인 문제도 있었습니다.
본론으로 돌아가 상온 초전도체가 상용화가 될 경우 이전에 없던 엄청난 기술의 발전이 이뤄지게 됩니다.
상온 초전도체는 전기가 흐를때 에너지 손실이 거의 없습니다.
케이블의 저항 때문에 발생하던 전력손실 또한 사라지게 돼 에너지 비용이 확연히 절감되며,
전자기기의 경우 전류의 손실이 없다보니 발열 및 수명이 대폭 증가하게됩니다.
그 외 초소형 양자컴퓨터와 초전력 반도체 등 어마어마한 기대효과를 가져올 수 있습니다.
오늘 소개할 주제는 초전도체와 양자컴퓨터입니다.
양자와 컴퓨터
양자역학이 가진 가장 큰 특징은 둘 이상의 상태가 함께 공존 할 수 있다는 사실이며,
이런 양자중첩은 양자정보의 가장 중요한 특성입니다.
양자역학의 가장 기묘한 특성중 하나인 양자얽힘 현상은
양자시스템에서 나타나는 상관관계가 시공간적으로 멀리 떨어진 경우에서도 나타나는
즉, 비국소적(Non-local)특징을 나타내는 현상입니다.
가장 대표적이로 기본적인 형태는 벨 상태(bell-state)로, 다음과 같은 수학적인 구조를 지녔습니다.
위 수식을 해석한다면 벨 상태는 큐비트 A와 B로 구성된 상태로,
두 큐비트 모두 0의 상태에 있을 경우 두 큐 비트 모두 1의 상태에 있는 경우가 양자가 중첩되어 있는 상태입니다.
만약 큐비트 A의 관측결과가 0일경우, 그 순간 큐비트 B의 상태도 0으로 정해지는 원리로,
그 반대의 1의 경우도 마찬가지입니다.
이러한 비국소적인 특성으로 인해 벨 상태는 다양한 양자정보기술에서 필수적인 자원으로 사용됩니다.
다시 본론으로 돌아와 양자컴퓨터란 기존 PC가 반도체를 사용하는 것과 달리 원자의 기억소자(Memory element)를 활용하여
양자컴퓨터는 미래형 컴퓨터로서 기존 슈퍼컴퓨터의 한계를 뛰어넘는 기술입니다.
현재 우리가 사용하는 개인Pc나 슈퍼컴퓨터는 정보 단위로(Bit)를 사용하는데
모든 데이터가 0이나 1의 값만 가질 수 있는 이진법에 따릅니다.
양자컴퓨터에서 사용하는 정보 단위는 큐비트(Qubit)입니다.
큐비트는 0과 1의 상태뿐만 아니라 양자중첩과 양자간섭을 통해 다양한 상태를 동시에 가질 수 있습니다.
큐비트를 정보저장 단위로 사용하면 기존 방식보다 훨씬 더 빠른 속도로 연산처리를 지원하게 됩니다
양자컴퓨터의 특성 중 하나인 큐비트의 양자중첩을 활용하여 문제를 동시에 다양한 가능성을 탐색하며 해결할 수 있습니다.
초전도체는 양자컴퓨터를 유지하는데 있어 중요한 요소중 하나입니다.
초전도체는 양자 비트를 만들기 위해 그들의 양자 상태를 제어하는 데 사용하는데,
초전도체는 양자 상태를 유지하기 위한 양자컴퓨팅 환경과 밀접한 관계가 있다고 볼 수 있습니다.
이에 따라 초전도체는 이러한 극저온 상태에서 큐비트를 안정적으로 유지할 수 있는 소재로 사용됩니다.
현재까지 양자컴퓨터는 실험적인 수준에서 개발되어 상용화되진 않았으나,
상온 초전도체가 상용화될 경우 양자컴퓨터의 상용화에 많은 도움이 될것입니다.
광자 기반의 양자정보 연구
양자 컴퓨터와 광자(빛)간에는 흥미로운 관계가 있습니다.
광자는 빛의 기본 단위로 , 양자컴퓨터는 양자역학의 기본 원리를 통해 정보를 처리합니다.
양자컴퓨터는 광자와 같은 양자 시스템을 이용하여 정보를 처리하는데,
양자역학의 원리를 기반으로 양자중첩과 양자통신을 이용하여 복잡한 계산을 효율적으로 수행합니다.
광자는 양자통신을 통해 빠르고 안전한 정보 전송에도 활용되어
양자컴퓨터와 광자가 서로 보완하고 협력하는 관계에 있습니다.