◎직관과 상식을 뛰어넘는 도전과 기회 ‘Quantum’

LG경제연구원 "직관과 상식을 뛰어넘는 도전과 기회 ‘Quantum’"

양자역학은 매우 난해하고 반직관적인 내용들로 가득차 있다. 그러나 최근 나노기술의 두드러진 발전으로 양자현상이 주로 나타나는 미시세계에 한걸음 다가서게 되는 계기가 되었고 이에 따라 이론적으로만 알려진 특성들이 현실로 구현되는 경우도 나타나고 있다. 양자점, 양자메타물질, 양자컴퓨터, 양자암호 등은 새로운 혁신의 진원지가 될 가능성이 있다. 

최근 양자점, 양자컴퓨터, 양자암호 통신 등 양자(Quantum)라는 말을 자주 듣게 되었다. 양자점은 디스플레이에 새로운 혁신을, 양자 컴퓨터와 양자 암호는 현재 컴퓨터 기술의 한계를 극복하고 컴퓨터 통신 보안의 새로운 시대를 열 잠재력을 가진 새로운 기술로 논의되고 있다. 양자역학 또는 양자물리학은 일반인들이 이해하기에는 난해한 개념임에는 틀림없다. 우선 백과사전에서 나오는 정의부터 살펴보면 “양자론의 기초를 이루는 물리학이론으로 원자, 분자, 소립자 등의 미시적 대상에 적용되는 역학이며, 거시적 현상에 보편적으로 적용되는 고전역학과 상반되는 부분이 많다.”라고 설명한다. 즉, 주변에서 흔히 보기는 어려운 미시세계에서 나타나는 현상이라고 볼 수 있다. 그러다 보니 우리 눈에 보이는 거시세계에서는 관찰되기 어렵고, 이해하기도 어려울 수 밖에 없다. 양자론이 1900년 독일의 물리학자 플랑크의 양자 가설로부터 시작되었지만, 광전 효과라는 양자 물리학의 문을 연 아인슈타인조차도 정작 양자의 불확정성, 양자 얽힘 등 양자역학의 개념들을 인정하지 않았고 양자역학 자체를 못 마땅하게 생각했다. 아인슈타인과 함께 천재 물리학자로 꼽히며 양자역학의 큰 공헌을 한 미국의 물리학자 파인만도 “이 세상에 양자역학을 정확히 이해하는 사람은 단 한 명도 없다.”라고 말했을 정도로 양자역학은 우리의 상식으로 이해하기 어렵고 반직관적인 요소가 많다. 결국 앞으로도 양자역학을 완벽하게 이해하기란 불가능할지도 모른다. 하지만, 양자 기술이 가지는 잠재력은 또 하나의 도전과 기회임에는 틀림없다. 

왜 ‘Quantum’에 주목해야 하나? 

양자역학의 개념은 이미 반도체나 LED, 이를 활용한 스마트기기와 TV 등을 통해 적용이 되고 있지만, 최근 나노기술의 두드러진 발전에 따라 양자역학을 활용한 소재와 제품들이 확대될 가능성이 있다. 그렇게 되면 기존 소재나 부품의 특성을 혁신적으로 개선을 할 수도 있고, 컴퓨팅 능력의 향상으로 클라우드 컴퓨팅과 빅데이터로 수집된 엄청난 정보들을 논리적으로 구성하여 해석할 뿐만 아니라 정보의 수집과 공유에서 발생하게 되는 보안의 문제도 해결할 실마리를 제공할 것으로 기대된다. 

물론, 모든 양자기술이 동시다발적으로 출현할 가능성은 매우 낮다. 양자 현상을 단편적으로 활용한 소재와 제품들의 상용화가 이루어지고 있지만, 양자컴퓨터와 양자암호통신과 같은 개념 중심의 제품들은 아직 시간이 꽤 걸릴 가능성이 많다. 그러나, 다양한 분야에서 양자 현상에 대한 이해도가 높아지고 이를 활용한 소재 기술이 발달하면서 이론적인 연구에 그쳤던 부분들 중 현실화되는 것도 많아질 것으로 보인다. 그 과정 가운데 새로운 시장이 창출될 수도 있을 것이다. 최근 Quantum Dot Film이 TV에 채용되고 있는 것과 같다. 이러한 측면에서 각 기술들이 가져올 수 있는 파괴적 혁신의 본질을 이해하고 주목할 필요가 있다. 

<그림 1>을 통해 양자 기술이 적용된 제품의 진화 방향을 살펴보면, 양자 기술은 원자 구조, 빛과 전자의 움직임에 대한 개념적인 이해를 바탕으로 반도체와 LED와 같은 주로 수십 나노에서 마이크로 미터 단위의 소재와 부품에 적용되었다. 이러한 단일 소재/부품은 그 자체로도 시장을 형성하고 성장해 왔을 뿐 아니라 각종 스마트기기에 다른 소재/부품과 융복합되면서 새로운 제품의 시장을 만들어왔다. 현재는 수 나노 크기의 물질 개발을 통해 단일 소재/부품의 고도화가 진행되고 있으며, 기존 성능을 획기적으로 개선하거나 기존에는 없던 특성을 구현하는 등 파괴적 혁신을 꾀하고 있다. 수 나노 단위의 소재/부품의 혁신은 향후 기존 제품에 채용되거나 새로운 형태로 융합되며 파급력을 더해갈 것으로 기대된다. 특히 빅데이터 분석과 같이 기존 컴퓨터가 수행하지 못하던 기능을 양자컴퓨터가 수행하면서 이를 활용한 다양한 서비스 산업이 출현할 수도 있다. 

소재와 부품의 성능 고도화에 활용 가능 

● 양자점 

올해 TV시장에서의 중요한 화두 중 하나는 양자점(Quantum Dot)이다. LG, 삼성과 같은 국내 대기업 뿐만 아니라 중국 기업까지도 양자점을 활용한 TV를 선보이고 있다. 이는 양자점이 포함된 광학 필름을 채용하면 기존의 LCD TV보다 더 다양한 색표현이 가능해지기 때문이다. 이 양자점 광학필름은 양자구속효과(Quantum Confinement Effect)라는 물리학적 성질을 이용하는데, 반도체 물질을 충분히 작게 만들게 되면 반도체에서 나오는 빛이 불연속적이 되며 그 크기에 따라 색깔을 달리 할 수 있는 성질이다. 수 나노미터의 매우 작은 크기의 양자점을 활용하여 빛의 3원색을 구성한다. 즉, 기존 형광체 물질은 적색, 녹색, 청색의 빛의 3원색을 각각 서로 다른 물질을 통해 만들어야 하지만 양자점을 활용하면 같은 물질을 가지고 크기를 변화하여 적색, 녹색, 청색을 구현할 수 있다. 게다가 물질의 크기를 잘 조절하면 더 또렷하고 깊은 색상을 구현할 수 있어 더욱 풍부한 색깔을 구현하는데 도움을 준다. 

물론 모든 물질을 양자점으로 만들어 활용할 수 있는 것은 아니다. 초기에는 높은 효율을 보이는 카드뮴이 포함된 양자점에 대한 연구가 진행되어 왔지만, 최근에는 환경 문제로 카드뮴을 대체하는 연구가 활발히 진행되어 비카드뮴계 양자점 필름이 국내 TV 제품에 적용되고 있다. 

뿐만 아니라 양자점을 활용한 필름은 단순 채용을 통해 디스플레이의 색표현을 다양하게 할 수도 있지만, 기존 다른 LCD내 재료와 연계하여 저소비전력을 위한 방안으로도 활용 가능할 것으로 보여 현재 색 표현 중심의 경쟁 패러다임을 저소비전력으로 변경시킬 가능성도 있다. 특히 UHD와 같이 고해상도화 되며 소비전력이 높아지는 단점을 단순히 양자점 필름을 채용하여 보완할 수 있어 높은 색재현력뿐 아니라 소비전력이 중요한 중저가 제품에 활용할 가능성도 있다. 

양자점은 TV 외에 태양전지에도 활용될 가능성이 있다. TV에서와는 반대로 양자점 크기에 따라 흡수하는 파장을 달리함으로써 태양전지의 효율을 극대화할 수 있다. 전지의 가장 자리는 작은 양자점으로 청색 빛을 흡수하고, 내부는 큰 양자점으로 적색 빛을 흡수하게 하여 빠르고 큰 전기를 생산할 수 있도록 한다. 

● 양자메타물질 

양자메타물질(Quantum Metamaterials)은 두 가지 이상의 나노구조를 공간적으로 배열 또는 접합시켜 개별 나노구조가 갖는 물성과는 다른 새로운 양자역학적 성질이 발현되는 인공구조체를 말한다.(‘메타’라는 단어는 ‘초월, 넘어서다’의 뜻을 가진 그리스 말이다) 양자메타물질은 기존에 알려져 있지 않은 새로운 물성을 보이기 때문에 궁극적으로 신개념 차세대 소자개발에 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 연구가 진행 중인 소재로는 금과 같은 금속, 반도체, 산화물, 유전체를 비롯해서 최근 일반인들에게도 많이 알려진 그래핀도 그 대상이다. 특히 그래핀은 탄소 원자 한 층으로 이뤄진 2차원 물질로 강철보다 200배 이상 강할 뿐만 아니라 구리보다 전기가 잘 통하고 투명하며 신축성도 좋아서 꿈의 나노 물질이라고도 불린다. 

얼마전 화제가 되었던 투명망토 기술도 양의 굴절률의 물질을 음의 굴절률로 만든 메타물질의 사례이다. 이 외에도 회절한계를 넘어서 집광 수준을 조절하는 광메타물질과 소리의 전파 방향을 조절할 수 있는 음향메타물질, 새로운 접합을 이용해 기존에 나타나지 않던 물성을 보이게 하는 전자메타물질 등 다양한 방식으로 접근하고 있다. 

컴퓨터 성능과 통신보안의 새로운 가능성 

● 양자컴퓨터 

NASA는 홈페이지를 통해 “양자컴퓨터는 이론적으로 기존 디지털컴퓨터가 해결에 수백만 년이 걸리는 문제들을 불과 며칠 만에 풀 수도 있다”고 소개했다. 캐나다의 스타트업 기업인 D-Wave가 양자컴퓨터를 상용화하였지만, 그 현실성 여부에 대한 논란도 많았다. 그럼에도 많은 기업과 연구소가 양자컴퓨터의 가능성과 잠재력에 주목하고, 그 개발에 박차를 가하고 있다. 마이크로소프트는 2006년부터 ‘스테이션Q’라는 양자컴퓨터 연구소를 설립하고 연구를 지원해 왔지만 최근 위상양자컴퓨터 연구그룹을 만들어서 양자컴퓨터 연구를 더 강화하겠다는 계획을 밝혔고, IBM도 양자컴퓨터를 비롯한 차세대 컴퓨터 개발에 30억 달러를 투자하겠다는 계획을 발표했다. 미국 정부도 양자컴퓨터 개발에 지원을 아끼지 않고 있는데, 국가안보국(NSA)은 기존 보안용 암호를 무력화할 수 있는 양자컴퓨터 개발에 7,970만 달러를 지원하겠다고 밝히기도 했다. 

물론 양자컴퓨터를 개발하려는 목적은 일반컴퓨터와는 구별된다. 현재 컴퓨터의 성능으로도 게임이나 업무를 보고 또는 기타 일상생활과 밀접하게 관계되는 일을 하는 데는 전혀 문제가 되지 않는다. 다만, 양자컴퓨터와 같은 초고속 컴퓨터 개발은 기존의 가장 빠른 컴퓨터로 계산하면 수백~수천 년 걸릴지도 모르는 의약품 개발, 신재료 개발, 군사용 및 물리/화학연구 분야에서 시뮬레이션에 이용하기 위해서이다. 특히 주어진 여러 가능성(조합) 가운데 최적의 경로 혹은 상태(조합)를 찾는 데에 그 빛을 발할 수 있다. 구글은 양자컴퓨터를 주로 웹 검색과 음성인식 기술 등에, NASA는 은하충돌 시뮬레이션 등에 활용할 것으로 전해지고 있고, 엄청나게 많은 데이터 간의 관계파악이 어려운 빅데이터 분석에도 활용될 것으로 보인다. 

그 원리를 간단히 살펴보면 기존의 컴퓨터는 ‘0’ 또는 ‘1’의 숫자 형태로 정보를 저장하고 알고리즘에 의해 데이터를 처리한다. 반면 양자 컴퓨터에서는 기본 정보 단위가 quantum과 bit의 합성어인 ‘qubit’인데, 마찬가지로 ‘0’과 ‘1’의 두 가지 상태를 이용하여 정보를 저장하고 처리하지만 뚜렷하게 구분되는 차이점은 ‘0’과 ‘1’로 주어지는 물리적인 양이 시간에 따라 변화하며 두개의 값을 동시에 가질 수 있게 된다. 또한 한쪽 상태가 변하면 다른 상태도 영향을 받게 되어 정보를 동시 처리할 수 있다. 

현재 양자컴퓨터 개발 단계는 초기 컴퓨터의 진공관 수준으로 봐도 큰 무리가 없을 것이다. 그러나 1950년대 처음 반도체 트랜지스터가 개발되었을 때 현재의 나노 기술을 이용한 컴퓨터 개발 단계까지 발전될지는 아무도 예측을 못했고, 그만큼 과학 기술은 빠르게 발전됐다. 현재 이론적으로 양자컴퓨터가 가능하다는 것은 잘 알려진 사실이고, 실험적으로 간단한 양자 알고리즘도 구현됐다. 따라서 양자역학적 현상을 규명하고 미래의 핵심 과학 기술을 창조할 수 있는 양자컴퓨터 개발에 대한 연구는 활발히 진행될 것으로 기대된다. 

● 양자암호통신 

암호 기술을 살펴보면, 현재 주로 사용되고 있는 RSA암호방식은 매우 큰 두 소수(Prime number, 1과 자기 자신만으로 나누어 떨어지는 1보다 큰 양의 정수)의 곱을 원래의 두 소수로 다시 소인수분해하기 어렵다는 점을 이용한 방식으로 아직까지는 가장 안전한 암호로 자리잡고 있다. 그러나, 1990년대 중반 벨연구소의 응용수학자 피터 쇼어가 양자컴퓨터로 소인수분해를 쉽게 할 수 있는 양자 알고리즘을 개발했다. 만약 이 알고리즘을 수행할 수 있는 양자컴퓨터가 개발된다면 소인수분해 방식의 암호는 모조리 풀리게 된다. 그래서, 국내 기업을 비롯한 글로벌 각 기업 및 연구기관들은 소인수분해 암호 방식이 무용지물이 될 경우를 대비하여 양자 원리를 이용한 암호 개발을 가속화하고 있다. 

한편, 지금의 통신보안 체계는 난수(Random Number), 즉 무작위로 만든 숫자에 의존한다. 거의 무한대로 긴 무작위 숫자를 만들어 이를 암호화에 활용하는 것이다. 그러나 이는 컴퓨터 프로그램을 통해 인위적으로(의사난수, Pseudo Random Number) 만들기 때문에 오래 관찰하면 패턴을 읽을 수 있다. 통신의 도청이나 감청이 가능해지는 것이다. 반면 양자난수(Quantum Random Number)는 양자 현상의 관측 값을 숫자로 변환하여 ▲예측이 불가능하고, ▲이전 숫자와 새로운 숫자 간 상관관계가 없으며, ▲숫자가 편향되지 않는 순수난수(True Random Number)의 조건을 만족시킨다. 이를 위해 전기저항 값의 변화를 측정하거나, 디지털 카메라에서 빛이 전자로 변환될 때 나타나는 양자 현상을 이용한다. 기존의 양자난수생성기는 손바닥 정도 크기로 개인 소비자가 사용하기에는 불편할 뿐만 아니라 고가였지만, 국내외 기업 및 연구기관들에서는 저가 기반의 소형 칩화 연구를 지속하고 있다. 이러한 연구가 성공하면 작고 저렴한 칩으로 양자난수를 생성하여 완벽한 보안체계를 제공하게 된다. 이동통신과 사물인터넷(IoT), 금융, 스마트그리드, 스마트가전 등 통신산업 전반의 보안체제에 혁신적 변화를 몰고 올 수도 있을 것이다. 

소재부문에서부터 혁신 확산 

양자 기술이 당장은 양자점과 같이 소재의 한계를 극복하는 형태로 나타나겠지만, 양자 현상에 대한 관측과 해석에 대한 연구가 가속화되면서 양자컴퓨터, 양자암호통신 등 제품간/소재간 융복합을 통해 혁신을 가져올 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 양자 기술이 기존 소재기술의 한계를 뛰어 넘는 혁신을 가져올 수 있고, 통신이나 IT기기의 경쟁 패러다임을 바꿀 지도 모른다. 다우케미컬(Dow Chemical), 머크(Merck)와 같은 글로벌 소재기업이나 구글, IBM과 같은 글로벌 IT기업 역시 이러한 잠재력에 주목하고 있다. 

양자컴퓨터나 양자암호통신 기술은 사실 조금 먼 이야기 일지도 모른다. 하지만, 최근 나노과학의 발전으로 수 나노크기의 물질에서 나타나는 양자현상을 이해하고 이를 소재와 제품으로 활용하는 추세이다. 이러한 소재의 발달은 단순히 기존 소재를 대체하고 보완하는 수준을 넘어 양자컴퓨터나 양자암호통신에 직접 활용되면서 그 발전 속도를 가속화할 가능성이 있다. 특히 양자의 개념을 통해 만들어진 반도체나 LED와 같은 부품이 각종 스마트 기기에 채용되면서 그 파급력이 커진 것처럼, 양자역학 기반의 소재나 부품이 기존 제품과 융복합 또는 양자 기반의 소재/부품 간의 융복합이 이루어지게 되면 상당한 파급효과를 가져올 수 있다. 

기존 수십 나노에서 마이크로 미터 크기의 경우는 부품을 조립하는 형태로 융복합이 이루어질 수 있었다면, 양자 세계에서는 물리적이나 화학적으로 일체화되면서 융복합이 일어날 수 있기 때문에 기존 제품 중심의 기업들은 양자 기술과 관련한 소재/부품의 변화를 예의주시할 필요가 있다. 

양자 기술은 물질의 궁극적인 최소단위의 입자와 그 특성에 관련된 것인 만큼 앞으로 어떻게 발전하고 실용화될지 아직 가늠하기 어려운 부분이 많다. 양자 기술의 이론과 아이디어의 구체화, 소재 개발과 제품화는 어느 한 기업이나 연구소가 다 감당하기는 어려워 보인다. 양자기술 부문의 연구와 기술 발전을 위해서는 다양한 네트워크와 활발한 Open Innovation 활동이 더욱 중요해질 가능성이 크다.  <끝>