양자 공학의 최신 돌파구와 우리의 미래에 미치는 영향

양자 공학은 발견의 황금기에 접어들고 있습니다. 불과 지난 1년 동안 전 세계 연구자들은 극소의 한계를 뛰어넘어, 수십 년 후에나 가능할 것이라 여겨졌던 성과들을 이뤄냈습니다. 양자 컴퓨터가 기존의 슈퍼컴퓨터를 능가하고, 양자 네트워크가 얽힘을 통해 데이터를 전송하며, 양자 센서가 극미세 신호를 감지하고, 양자 소재가 새로운 이색적인 물질 상태를 드러내는 등, 최근의 발전은 이 첨단 분야의 모든 영역을 아우르고 있습니다. 아래에서는 양자 공학의 주요 하위 분야를 살펴보고, 지난 1년간의 핵심 돌파구를 조명하며, 이러한 발전이 우리의 미래에 어떤 의미를 갖는지 알기 쉽게 설명합니다.

양자 컴퓨팅: 실용적인 양자 기계에 한 걸음 더 가까이

2025년 초 공개된 Majorana 1 위상 양자 프로세서는 8큐비트 칩으로, 더 안정적인 큐비트를 위해 새로운 ‘위상 초전도체’ 소재를 사용합니다. 마이크로소프트와 UC 산타바바라 물리학자들이 주도한 이 혁신적 접근법은 본질적으로 오류에 강한 큐비트를 약속합니다 universityofcalifornia.edu.

양자 컴퓨팅은 0과 1이 동시에 존재할 수 있는 양자 비트(큐비트)의 기묘한 특성을 이용해, 일반 컴퓨터로는 불가능한 계산을 수행합니다. 2024년과 2025년에 양자 컴퓨팅은 실용성에 한 걸음 더 다가서는 큰 도약을 이뤘습니다:

기존 슈퍼컴퓨터 능가: 구글의 최신 양자 칩 “Willow”는 최상급 슈퍼컴퓨터로 약 10 세틸리언(10^25) 년이 걸릴 계산을 5분 이내에 수행했습니다 blog.google. 이 극적인 ‘양자 우위’ 시연은 (복잡한 분자 시뮬레이션이나 최적화 퍼즐 해결 등) 특정 문제들이 기존 기계로는 도저히 풀 수 없지만, 양자 프로세서로는 해결 가능함을 보여줍니다.
오류 수정의 돌파구: 어쩌면 더 중요한 것은, 구글의 70큐비트 Willow 칩이 큐비트를 더 추가하면 오류를 기하급수적으로 줄일 수 있음을 보여주었다는 점입니다. 이는 사실상 양자 오류 수정 분야에서 30년간 이어진 도전 과제를 해결한 것입니다 blog.google. “이것은 양자 오류 수정에서 거의 30년 동안 추구해온 핵심 과제를 해결한 것입니다,”라고 구글 퀀텀 AI 디렉터 Hartmut Neven이 썼습니다 blog.google. 오류 수정 임계값 이하에서 동작함으로써, Willow는 확장 가능하고 결함 허용이 가능한 양자 컴퓨팅이 실현 가능함을 보여주는 가장 명확한 증거를 제공했습니다 blog.google. 전문가들은 이를 “지금까지 구축된 확장 가능한 논리 큐비트의 가장 설득력 있는 프로토타입… 유용하고 매우 큰 양자 컴퓨터가 구축될 수 있다는 강력한 신호”라고 평가했습니다 blog.google.
위상 큐비트의 등장: 또 다른 놀라운 진전으로, 마이크로소프트/UCSB 팀이 사상 최초의 위상 큐비트를 만들어냈습니다. 이는 위상 초전도체라 불리는 새로운 상(phase)의 물질에 저장된 이색적인 큐비트입니다 universityofcalifornia.edu. 이 큐비트들은 (Majorana 1이라 불리는 8큐비트 프로토타입 칩에서 구현됨) 마요라나 제로 모드라는, 자기 자신이 반입자인 특이한 준입자를 이용해 정보를 잡음으로부터 내재적으로 보호하며 인코딩합니다 universityofcalifornia.edu. “우리는 위상 초전도체라 불리는 새로운 상태의 물질을 만들었습니다,”라고 Microsoft Station Q 디렉터 Dr. Chetan Nayak이 설명하며, 그들의 결과가 “우리가 할 수 있고, 빠르게 할 수 있으며, 정확하게 할 수 있음을 보여준다”고 덧붙였습니다 universityofcalifornia.edu. 위상 큐비트는 본질적으로 더 안정적이어서, 훨씬 적은 오류 수정 큐비트만으로도 양자 컴퓨터를 구현할 수 있을 가능성이 있습니다. 마이크로소프트는 심지어 이 기술을 단일 칩에서 백만 큐비트로 확장하는 로드맵을 향후 수년 내에 발표하기도 했습니다 azure.microsoft.com. 만약 실현된다면, 이는 혁신적인 변화가 될 대담한 목표입니다.
확장과 산업의 모멘텀: 선도 기업들은 더 많은 큐비트 수와 더 나은 성능을 향해 계속 경쟁하고 있습니다. IBM은 현재 세계에서 가장 큰 초전도 양자 프로세서 중 일부를 운영하고 있으며(최근 400+ 큐비트를 단일 칩에서 돌파, 1,121 큐비트 칩도 곧 출시 예정) 모듈형 “양자 중심 슈퍼컴퓨터”를 연구 중입니다. 이 슈퍼컴퓨터는 향후 10년 내에 100,000 큐비트에 도달할 수 있습니다 pme.uchicago.edu. 중요한 점은, 산업계와 학계가 양자 컴퓨팅의 실용화를 위해 협력하고 있다는 것입니다. 예를 들어, 연구자들은 양자 알고리즘을 AI 및 고성능 컴퓨팅과 통합하여 화학 및 소재 문제를 해결하기 시작했습니다 thequantuminsider.com. 이미 제약, 에너지, 금융, 항공우주 분야의 기업들이 실제 업무에 양자 컴퓨터를 실험적으로 활용하고 있습니다 time.com. Time지에 두 명의 업계 CEO가 쓴 것처럼, “양자 시대는 이미 시작됐다”고 할 수 있으며, 양자 하드웨어와 소프트웨어는 지난 18개월 동안 “눈부신 속도”로 발전해 왔습니다 time.com.

앞으로 무엇이 기다리고 있을까? 이러한 돌파구 덕분에, 양자 컴퓨팅은 점차 먼 미래의 꿈이라는 평판을 벗고 실제 문제 해결을 위한 도구로 다가가고 있습니다. 오류 수정 큐비트와 안정적인 위상 큐비트가 몇 년 내에 등장할 수 있으며, 이는 유용한 작업에서 기존 슈퍼컴퓨터를 안정적으로 능가하는 기계를 가능하게 할 것입니다. 그 파급 효과는 막대합니다. 우리는 양자 수준에서 화학을 시뮬레이션하여 신약과 신소재를 설계하고, 복잡한 물류와 AI 모델을 최적화하며, 오늘날에는 풀 수 없는 문제까지 해결할 수 있습니다. 여전히 과제(수천~수백만 큐비트로의 확장, 큐비트 품질 향상, 비용 절감)는 남아 있지만, 최근의 진전은 실용적인 양자 컴퓨터가 많은 이들의 예상보다 훨씬 빨리 등장할 수 있음을 시사합니다. 한 보고서에서 언급했듯, 단일한 “전구가 켜지는 순간”이 아니라, 양자 혁명은 “성능 돌파구, 해결된 문제, 지속적인 가치 창출”을 통해 – 종종 눈에 띄지 않게, 그러나 이미 진행 중입니다 time.com.

양자 통신: 양자 인터넷 구축

양자 통신은 양자 상태(예: 얽힌 광자)를 이용해 초고도 보안의, 즉각적인 정보 전송을 가능하게 합니다. 일반 신호와 달리, 양자 정보는 도청자가 탐지 없이 가로챌 수 없는 방식으로 전송될 수 있어, 해킹이 불가능한 양자 인터넷의 기반을 마련합니다. 지난 1년간 이 비전을 현실에 한 걸음 더 가깝게 만든 놀라운 진전이 있었습니다:

기존 광섬유에서의 텔레포테이션: 세계 최초의 실험에서, 노스웨스턴 대학교의 엔지니어들은 일반 인터넷 트래픽이 동시에 흐르는 30km 길이의 광섬유 케이블을 통해 양자 정보를 텔레포트하는 데 성공했습니다 news.northwestern.edu. 이들은 고전적 데이터 스트림의 간섭을 정교하게 피함으로써 표준 광섬유를 통해 양자 텔레포테이션(얽힘을 이용해 한 위치의 큐비트 상태를 다른 위치로 전송)을 달성했습니다. “이건 정말 흥미로운 일입니다. 아무도 이게 가능하다고 생각하지 않았거든요,”라고 이번 연구를 이끈 프렘 쿠마르 교수가 말했습니다 news.northwestern.edu. “우리의 연구는 차세대 양자 및 고전 네트워크가 통합 인프라를 공유할 수 있는 길을 보여줍니다… 기본적으로 양자 통신을 다음 단계로 끌어올릴 수 있는 문을 연 셈이죠.” news.northwestern.edu 적절한 파장 ‘창’을 찾고 잡음을 걸러냄으로써, 연구팀은 양자 신호가 일상적인 인터넷 트래픽과 동일한 광섬유에서 공존할 수 있음을 입증했습니다 news.northwestern.edu. 이는 전용 양자 케이블이 필요 없을 수도 있음을 의미하며, 미래의 양자 인터넷이 오늘날의 광섬유 네트워크를 활용할 수 있게 되어, 구축 장벽을 획기적으로 낮출 수 있습니다 news.northwestern.edu.
장거리 얽힘, 끊기지 않다: 2025년 4월, 도이치 텔레콤의 T-Labs와 Qunnect의 연구진이 상업용 광섬유 30km 구간에서 99%의 충실도로 17일 연속 얽힌 광자 분포를 지속적으로 시연 telekom.com했다. 이와 같은 안정성과 가동 시간은 전례 없는 일이다. 이는 양자 네트워크의 중추인 얽힘 링크가 실제 환경에서도 안정적으로 유지될 수 있음을 보여준다. 장거리에서도 일관되게 높은 얽힘 충실도를 달성하는 것은 대규모 양자 중계기와 네트워크로 나아가는 데 중요한 단계다. 특히, 이 성과가 베를린 도심에 이미 설치된 표준 광섬유에서 이루어졌다는 점은 양자 네트워크 기술이 실험실을 넘어 실용적 환경으로 진입하고 있음을 보여준다 telekom.com.
양자 네트워크의 확장: 전 세계적으로 양자 통신 테스트베드가 빠르게 확장되고 있다. 국가 단위 프로젝트에서는 도시 간을 양자 암호화 광섬유와 위성으로 연결하고 있다. 예를 들어, 중국은 양자 키 분배(QKD) 위성과 광섬유를 이용해 베이징과 상하이 사이에 2,000km에 달하는 양자 링크를 운영 중이며, 유럽 협력체들은 여러 국가를 연결하는 ‘양자 백본’을 구축하고 있다. 미국에서는 국립 연구소와 대학들이 시카고 양자 교환(Chicago Quantum Exchange)의 124마일 네트워크와 같은 도시권 양자 네트워크 테스트베드를 구성해 얽힘 스와핑과 양자 중계기를 실험하고 있다. 이러한 노력들은 모두 궁극적인 목표, 즉 전 지구적 양자 인터넷을 구축해 완전히 안전한 통신과 분산 양자 컴퓨팅을 실현하는 데 기여한다. 최근 양자 메모리와 중계 노드(얽힘을 저장하고 확장하는 장치) 분야의 돌파구는 양자 링크의 거리와 신뢰성을 향상시키고 있다 news.northwestern.edu. 한편, 소형 양자 위성은 대륙 간 얽힌 광자 전송 능력을 입증했다.

다음은? 가까운 미래에는 양자 보안 통신이 민감한 데이터를 보호하기 시작할 것으로 기대된다. 은행, 정부, 의료기관 등은 이미 핵심 연결망의 해킹 불가 암호화를 위해 QKD를 시험 중이다. 양자 네트워크가 성장함에 따라 양자 클라우드의 등장도 예상된다. 이는 얽힘을 통해 프라이버시가 보장되는 상태에서 원격으로 양자 컴퓨터에 접근할 수 있는 안전한 네트워크다. 궁극적으로 완전한 양자 인터넷은 전 세계의 양자 장치를 연결해 블라인드 양자 컴퓨팅(원격 양자 서버에서 프라이버시가 보장된 채 연산 수행)이나 전 세계 원자시계 동기화 등 전례 없는 정밀도를 실현할 수 있다. 결론적으로, 양자 통신은 도청이 불가능한 인터넷을 약속하며, 오늘날 암호를 깨뜨릴 수 있는 양자 컴퓨터 시대에도 우리의 미래 디지털 인프라를 안전하게 지켜줄 것이다.

양자 센싱: 전례 없는 정밀도와 새로운 프런티어

양자 센싱은 양자 현상을 적용하여 기존 센서보다 훨씬 뛰어난 민감도와 정확도로 물리적 양을 측정합니다. 중첩(superposition)과 얽힘(entanglement)과 같은 효과를 활용함으로써, 양자 센서는 미세한 장, 힘, 시간의 변화를 감지할 수 있습니다. 최근의 발전은 거의 공상과학 소설처럼 들리는 센서 능력을 제공하고 있습니다:

원자 규모에서 원자 및 장 이미징: 2024년 중반, 독일의 Forschungszentrum Jülich가 이끄는 국제 연구팀이 “원자 세계”를 위한 세계 최초의 양자 센서를 공개했습니다. 이 센서는 0.1 옹스트롬(10^−10 m)의 공간 해상도로 전기장과 자기장을 감지할 수 있으며, 이는 단일 원자 크기와 비슷합니다 fz-juelich.de. 연구팀은 주사 현미경의 팁에 단일 분자를 부착하고, 그 분자의 양자 스핀을 이용해 극도로 가까운 거리에서 장을 감지하는 방식으로 이를 달성했습니다 fz-juelich.de. “이 양자 센서는 MRI만큼 풍부한 재료 이미지를 제공하면서 동시에 공간 해상도의 새로운 기준을 제시하기 때문에 게임 체인저입니다,”라고 주저자인 Dr. Taner Esat이 말했습니다 fz-juelich.de. 다시 말해, 이들은 재료 내부의 전자기적 지형을 원자 단위로 시각화할 수 있습니다. 이 능력은 재료, 촉매, 나노전자공학에 대한 우리의 이해를 혁신적으로 바꿀 것입니다. 이 도구는 양자 칩의 결함을 조사하거나, 반도체 내 원자를 지도화하거나, 심지어 생체분자를 검사하는 데에도 비할 데 없는 세부 정보를 제공합니다.
병렬 양자 센싱 및 더 나은 측정: 2024년 말, 오크리지 국립연구소(ORNL)의 과학자들은 양자 강화 센싱 플랫폼을 발표했는데, 이는 스퀴즈드 라이트를 사용하여 여러 센서의 감도를 동시에 향상시킵니다 ornl.gov. 양자적으로 연결된 잡음 특성을 가진 쌍둥이 광자 빔을 4개의 센서 배열에 주입함으로써, 모든 센서에서 고전적 한계 대비 약 23%의 동시 감도 향상을 달성했습니다 ornl.gov. 이는 병렬 양자 센싱의 최초 시연 중 하나로, 여러 위치를 동시에 양자 이점으로 탐지한 것입니다. “일반적으로 [양자] 상관관계를 사용해 측정을 향상시키지만… 우리는 시간적·공간적 상관관계를 결합해 여러 센서를 동시에 탐지하고 모두에 대해 동시 양자 향상을 얻었습니다,”라고 ORNL의 알베르토 마리노가 설명했습니다 ornl.gov. 이 접근법은 암흑물질 탐지와 같이 대규모 센서 배열 전체의 감도를 고전적 한계 이상으로 끌어올려야 하는 응용 분야에 중요할 수 있습니다 ornl.gov. 또한 한 번에 여러 데이터 포인트를 포착함으로써 더 빠른 양자 이미징 및 의료 진단을 가능하게 할 수도 있습니다.
일상 속의 양자 센서: 양자 센싱 기술은 실제 환경에서도 성숙해지고 있습니다. 예를 들어, 다이아몬드 질소-공석(NV) 센터 기반의 양자 자기계는 이제 뇌의 신경 활동에서 발생하는 미약한 자기 신호나 지하의 희귀 광물 존재를 감지할 수 있는데, 이는 과거에는 거대한 기계 없이는 불가능했던 일입니다. 초저온 원자 간섭계 센서는 GPS에 의존하지 않는 내비게이션 시스템을 위해 현장에서 테스트되고 있으며, 극도로 정밀하게 관성 및 중력의 미세한 변화를 측정해 움직임을 추적합니다. 그리고 원자 시계의 발전은 계속해서 기록을 경신하고 있습니다. 오늘날 최고의 광학 격자 시계는 아인슈타인의 중력 시간 지연을 단 1밀리미터 높이 차이에서도 측정할 수 있을 정도로 정밀하여, 시간이 약간 더 느리게 흐르는 것을 지구 중력 우물 가까이에서 감지할 수 있습니다 physicsworld.com. 이 놀라운 정확도는 사실상 시계를 중력 센서로 바꾸며, 시간 지연을 이용한 새로운 측지학(지구 밀도 분포 지도화) 기술로 이어질 수 있습니다.

다음은 무엇일까요? 양자 센서는 많은 산업을 재편할 문턱에 있습니다. 의료 분야에서는 SQUID 자기계와 다이아몬드 기반 센서가 미세한 생체 자기장을 감지하여 초고해상도 MRI 스캔이나 뇌-기계 인터페이스를 가능하게 할 수 있습니다. 내비게이션과 지질학에서는 양자 중력계와 가속도계가 중력 이상이나 관성 변화를 감지하여 항공기 및 지하 탐사를 위한 GPS 독립 내비게이션을 제공할 수 있습니다. 국방 분야에서는 양자 센서를 이용해 중력이나 자기장의 미묘한 변화를 감지하여 스텔스 물체나 지하 시설을 탐지할 것입니다. 암흑물질 및 중력파 탐사에도 도움이 되는데, 양자 장치의 뛰어난 감도는 기본 물리학에 새로운 창을 열어줍니다. 이러한 센서가 더욱 소형화되고 견고해지면서, 우리는 세계(그리고 우주)를 전례 없는 정밀도로 측정하는 새로운 시대의 기기를 기대할 수 있으며, 이전에는 불가능했던 피드백과 역량을 얻게 될 것입니다.

양자 소재: 양자 시대의 빌딩 블록을 발견하다

위의 모든 발전을 뒷받침하는 것은 바로 양자 소재입니다. 이는 새로운 기술을 가능하게 하는 놀라운 양자역학적 특성을 가진 물질입니다. 양자 소재에는 초전도체(저항 없이 전기를 전달), 위상 절연체(내부는 절연체지만 가장자리는 전도체), 양자 자석, 그리고 기타 이국적인 상(phase)의 물질이 포함됩니다. 지난 1년간 과학자들은 양자 소재 과학에서 흥미로운 발견을 이루어냈으며, 실용적인 초전도체와 오류에 강한 큐비트와 같은 돌파구에 한 걸음 더 다가섰습니다:

위상 초전도체 – 새로운 물질 상태: 올해의 주요 성과 중 하나는 앞서 언급한 Microsoft/UCSB 양자 프로세서에서 위상 초전도체를 만들어낸 것입니다. 반도체(비소화 인듐)와 초전도체(알루미늄)를 결합한 하이브리드 소재를 특정 자기장 하에서 절대영도에 가깝게 냉각함으로써, 연구진은 그 끝에 마요라나 제로 모드를 가지는 새로운 물질 상을 유도했습니다 azure.microsoft.com. 이 마요라나 모드는 양자 정보를 비국소적으로 저장하기 때문에(정보가 소재 전체에 “퍼져 있어” 보호됨) 위상 큐비트의 핵심입니다. “거의 한 세기 동안 이 준입자들은 교과서에만 존재했습니다. 이제 우리는 그것을 원하는 대로 만들고 제어할 수 있습니다.”라고 Microsoft 팀은 밝혔습니다 azure.microsoft.com. 위상 초전도 상의 성공적인 실현은 컴퓨팅의 돌파구일 뿐만 아니라 재료 과학의 위대한 업적으로, 오랫동안 이론적으로만 예측되던 물질 상태를 실험실에서 확인한 것입니다. 위상 초전도체는 에너지 손실이 없는 전자기기와 본질적으로 견고한 양자 비트를 가능하게 할 수 있어 주목받고 있습니다. 올해의 결과는 이러한 소재가 실제로 제작 및 조작될 수 있음을 보여주는 개념 증명으로, 차세대 양자 전자공학의 길을 열었습니다.
새로운 양자 상과 “비정통적” 초전도체: 연구자들은 또한 특이한 성질을 가진 자연적으로 존재하는 양자 물질을 발견하고 있습니다. 한 예로, 코넬 대학교의 한 연구팀은 우라늄 디텔루라이드(UTe₂)라는 화합물에서 “쌍 밀도파” 상태의 증거를 발견했습니다. 이는 본질적으로 초전도체 내에서 전자쌍이 결정 구조를 이루는 현상입니다 physics.cornell.edu. 이 새로운 상태는 위상학적 양자 물질의 한 형태로, 쿼퍼 쌍(초전도성을 일으키는 전자쌍)이 일반적인 균일 응축체가 아니라 정상파 패턴으로 배열됩니다 physics.cornell.edu. “우리가 탐지한 것은 새로운 양자 물질 상태, 즉 스핀 삼중항 쿼퍼 쌍으로 이루어진 위상학적 쌍 밀도파입니다,”라고 Dr. Qiangqiang Gu는 말하며, 이러한 상태가 관측된 것은 이번이 처음이라고 밝혔습니다 physics.cornell.edu. UTe₂와 같은 스핀 삼중항(홀수 패리티) 초전도체는 양자 컴퓨팅을 위한 마요라나 모드를 자연스럽게 지원할 수 있기 때문에 ‘성배’로 여겨집니다 physics.cornell.edu. 이 돌파구는 자연계에 우리가 한 번도 본 적 없는, 미래 기술에 활용할 만한 성질을 가진 양자 상이 존재할 수 있음을 시사합니다. 한편, 재료 과학자들은 새로운 2D 물질(예: 특이한 전자 거동을 보이는 새로 발견된 헤비 페르미온 2D 물질 CeSiI azonano.com purdue.edu)을 합성하거나, 재료를 영리하게 조합하는 데에도 진전을 이루고 있습니다. 예를 들어, 그래핀 시트를 “매직 앵글”로 적층해 초전도성을 유도하거나, 자석과 초전도체를 접합해 새로운 효과를 만들어내는 방식 등이 있습니다. 새롭게 발견되거나 창조된 각 양자 물질은 엔지니어들이 양자 장치를 구축할 때 사용할 수 있는 도구의 팔레트를 확장시켜 줍니다.
큐비트 및 장치용 소재: 양자 공학의 많은 부분은 오류율이 낮은 큐비트를 구현할 수 있는 소재를 찾는 데 달려 있습니다. 지난 1년 동안 여러 분야에서 진전이 있었습니다. 연구자들은 와이드 밴드갭 반도체(예: 다이아몬드의 결함이나 실리콘 카바이드의 도펀트)가 실온에서도 작동하는 안정적인 큐비트로 활용될 수 있음을 보여주었는데, 이는 양자 센서나 단순 양자 프로세서에 매우 유용할 수 있습니다. 또 다른 연구에서는 희토류 원소인 에르븀을 다양한 결정 호스트에 삽입해 큐비트를 만드는 데 성공했으며, 소재 선택이 양자 특성에 어떤 영향을 미치는지 강조했습니다 pme.uchicago.edu. 이미 알려진 큐비트 시스템(에르븀 스핀, 실리콘 양자점 등)에 대해 새로운 호스트 소재를 탐색함으로써, 과학자들은 코히런스 시간과 연결성을 최적화하고 있습니다. 중요한 이정표 중 하나는 아르곤 국립연구소의 소재 중심 접근법에서 나왔습니다. 이들은 새로운 큐비트를 제작해 0.1밀리초의 코히런스 시간 – 이전 기록보다 거의 1000배 더 긴 시간 pme.uchicago.edu을 달성했습니다. 이는 큐비트의 노이즈와 격리를 줄이는 소재 혁신을 통해 이루어졌습니다. 더 긴 코히런스 시간은 정보가 손실되기 전에 큐비트에서 더 많은 연산을 수행할 수 있음을 의미하므로, 이러한 개선은 곧바로 더 강력하고 신뢰할 수 있는 양자 컴퓨터로 이어집니다. 간단히 말해, 더 나은 소재 = 더 나은 큐비트입니다.

다음은 무엇일까요? 혁신적인 소재를 찾는 탐구는 앞으로도 양자 공학을 이끌어갈 것입니다. 주요 목표 중 하나는 상온 초전도체입니다. 즉, 극저온 냉각 없이도 초전도 현상을 보이는 물질입니다. 이러한 발견은 게임 체인저가 될 수 있습니다(손실 없는 전력망, 저렴한 MRI 기기, 자기부상 교통, 그리고 상온에서 작동하는 양자 장치 등 가능). 2023년, “LK-99”라는 물질이 상온에서 초전도성을 보인다는 주장이 나오면서 이러한 돌파구가 얼마나 큰 열풍을 일으킬 수 있는지 세상에 보여주었습니다. 하지만 이는 곧 엄격한 실험을 통해 반박 lens.monash.edu되었고, 이는 비범한 주장은 비범한 증거가 필요함을 다시 일깨워주었습니다. 진정한 상온 초전도체는 아직 발견되지 않았지만, 점진적인 진전은 이루어지고 있습니다. 알려진 초전도체의 임계 온도는 계속해서 조금씩 높아지고 있고, 새로운 화합물(때로는 고압에서)이 상온에 가까운 조건에서 초전도성을 보이기도 했습니다. 초전도체를 넘어, 과학자들은 더 견고한 큐비트(예: 더 긴 코히런스를 위한 낮은 핵스핀 물질, 또는 오류에 강한 큐비트를 위한 위상학적 물질)와 통신을 위해 필요할 때 단일 광자 또는 얽힌 광자를 방출할 수 있는 물질을 적극적으로 찾고 있습니다. 양자 소재 연구는 이 분야 전체의 핵심입니다. 새로운 발견 하나하나가 더 나은 양자 장치와 응용으로 이어질 수 있습니다. 앞으로 몇 년간, 놀라운 새로운 물질상(상전이)이 발견되고, 우리가 상상하지 못했던 기능을 열어줄 “디자이너” 소재(예: 마이크로소프트의 “topoconductor” azure.microsoft.com 또는 기타 인공 구조체)들이 더 많이 등장할 것입니다.

결론: 양자 공학이 이끄는 미래

초강력 컴퓨터부터 해킹이 불가능한 통신, 초정밀 센서, 그리고 새로운 물질상에 이르기까지, 양자 공학의 돌파구는 지적으로 흥미로울 뿐만 아니라, 머지않은 미래에 사회에 변혁을 가져올 것입니다. 중요한 점은, 이 하위 분야들이 서로 고립되어 발전하는 것이 아니라는 점입니다. 한 분야의 진전이 다른 분야의 진전을 촉진하는 경우가 많습니다. 예를 들어, 더 나은 양자 소재는 더 안정적인 큐비트를 가능하게 하고, 향상된 양자 컴퓨터는 새로운 소재 설계를 돕고, 양자 네트워크는 양자 컴퓨터를 연결해 그 힘을 증폭시키며, 양자 센서는 원자 수준에서 소재와 장치를 특성화하는 데 도움을 줄 것입니다. 우리는 혁신의 선순환이 시작되는 초기 단계를 목격하고 있습니다.

일반 대중에게 이러한 난해한 진보의 영향은 다양한 방식으로 실질적으로 다가올 것입니다:

의료 및 화학: 양자 컴퓨터는 약물과 단백질을 원자 수준의 정확도로 모델링하여 시행착오가 아닌 컴퓨터로 설계된 치료제와 소재를 가능하게 할 수 있습니다. 양자 센서는 미세한 바이오마커 신호나 첨단 뇌 영상 기술을 통해 질병의 조기 진단을 가능하게 할 수도 있습니다.
사이버보안 및 프라이버시: 양자 통신은 해커(심지어 양자 컴퓨터를 가진 해커도)도 뚫을 수 없는 양자 암호화를 통해 우리의 금융 거래와 기밀 데이터를 안전하게 지킬 가능성이 높습니다. 우리는 물리 법칙이 보장하는 절대적인 기밀성 아래 민감한 비즈니스나 외교적 소통을 할 수 있게 될지도 모릅니다.
컴퓨팅 및 AI: 양자 프로세서가 최적화 및 머신러닝 문제를 처리하기 시작하면, 공급망 물류부터 기후 모델링, AI 역량에 이르기까지 모든 분야에서 개선이 이루어질 것입니다. 오늘날 AI가 어려워하는 일부 작업도 미래의 양자 가속 클라우드 플랫폼에서 구동되는 하이브리드 양자-고전 알고리즘에 의해 해결될 수 있습니다.
센싱 및 내비게이션: 언젠가 우리의 휴대폰과 차량에는 양자 자이로스코프와 가속도계가 탑재되어 GPS가 없어도 초정밀 내비게이션이 가능해질 수 있습니다. 양자 중력 센서는 지하 광물 탐사나 화산, 단층의 밀도 변화를 감지해 모니터링할 수 있습니다. 심지어 양자 센서를 이용해 비침습적으로 건강을 모니터링하는 웨어러블 기기도 등장할 수 있습니다.
에너지 및 산업: 고온 초전도체와 같은 양자 소재는 무손실 송전선, 효율적인 자기부상, 더 나은 배터리(양자 컴퓨팅은 이미 개선된 배터리 화학을 찾는 데 사용되고 있음 time.com) 등으로 전력망과 교통을 혁신할 수 있습니다. 산업 공정도 양자 최적화 설계와 촉매로 혜택을 볼 수 있습니다.

요컨대, 양자 공학은 21세기 기술의 기반이 될 태세를 갖추고 있습니다. 20세기에 고전 전자공학이 그랬던 것처럼 말이죠. 이러한 돌파구가 빠른 속도로 이어지면서, 우리는 양자 장치가 중요한 문제를 해결하고, 우리의 데이터를 보호하며, 우주에 대한 더 깊은 진실을 밝혀내는 미래에 한 걸음 더 다가가고 있습니다. 지금은 과학의 최전선에서 매우 흥미로운 시기입니다 – 양자 미래는 더 이상 추측이 아니라, 지금 이 순간에도 하나씩 실현되고 있습니다.

출처:

Google Quantum AI – Hartmut Neven, “Meet Willow, our state-of-the-art quantum chip,” Google Blog (2024년 12월) blog.google.
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네이처/ACS 퍼블리케이션 – LK-99 상온 초전도 주장 반박 증거 (2023) lens.monash.edu.