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[편집자주] 1925년 독일 이론물리학자 베르너 하이젠베르크는 불확정성 원리를 발견하고 이를 토대로 한 양자역학의 지평을 열었습니다. 100년이 지난 현재 현대물리학의 핵심으로 여겨지는 양자역학은 기술 패권을 좌우하는 과학의 최전선에 자리잡고 있습니다. 유엔은 2025년 새해를 '국제 양자과학 기술의 해'로 지정했습니다. 양자컴퓨터, 양자통신, 양자센서 등 국내 전문가들에게 들어본 양자기술의 현주소와 전망을 세차례에 걸쳐 짚어봅니다.   
우리은행 중도상환수수료 "반도체 기술의 한계는 양자역학으로 설명할 수 있습니다. 최근 삼성전자가 고전하는 원인으로 지목되는 고대역폭메모리(HBM)가 등장할 수밖에 없는 기술적 배경이 있는 것입니다."
박권 고등과학원 물리학과 교수는 삼성전자의 최근 위기의 기술적 배경으로는 양자역학을 꼽았다. 이달 초 업계에 따르면 HBM 시장 점유율은 기존 메모리반도체 분야 1 전세자금대출 집주인 동의 위를 달리던 삼성전자가 경쟁사인 SK하이닉스에 뒤처진다. HBM은 반도체 회로의 선폭을 좁히는 대신 소자를 3차원(3D) 구조로 쌓아 올린 메모리다. 빠르게 발전하는 인공지능(AI) 기술 구현에 적합한 메모리로 평가되며 수요가 급증했다.
양자역학에서는 모든 물질의 상태가 '파동'이라고 설명한다. 상태가 하나의 특정한 값으로 정해져 있지 않 상여금 계산법 다는 뜻이다. 물체의 규모가 커지면 주변과의 상호작용도 강해지고 위치나 속도 같은 물체의 상태가 정확해지면서 파동으로서의 성질은 사라진다.
양자역학은 흔히 눈에 보이지 않는 미시세계에서 작동하는 물리 현상으로만 생각되지만 우리 삶과 동떨어진 개념은 아니다. 전자처럼 작은 입자의 상태가 결정되면 원자에 영향을 주고 원자가 모인 분자 등 더 미성년자신용불량 큰 규모에 연쇄적으로 영향을 주기 때문이다.
반도체 기술 경쟁은 좁은 공간 안에 얼마나 세밀하게 회로를 구성할 수 있느냐를 중심으로 이뤄져왔다. 반도체 업계에서 몇 나노미터(nm, 10억분의 1미터) 공정이라는 설명은 전자회로의 선(線)폭을 말한다. 전자나 원자의 크기는 바꿀 수 없다. 회로 규모가 일정 수준 이하로 작아지면 양자역학 바로연결 수준에서 일어나는 물리적 한계를 무시할 수 없다는 뜻이다.
박 교수는 "3차원 적층 기술도 결국 끝이 온다"며 "(반도체도) 양자컴퓨터처럼 기술의 근본적인 원리 자체가 달라질 수밖에 없을 것"이라고 말했다. 기존 과학이 맞닥뜨린 한계를 허물 수 있는 개념으로 양자과학과 이를 응용한 양자기술이 필요하다는 것이다. 양자컴퓨터 도입도 필수적이라는 분석이다. 



양자역학에서는 모든 물질의 상태가 '파동'이라고 설명한다. 상태가 하나의 특정한 값으로 정해져 있지 않다는 뜻이다. 물체의 규모가 커지면 주변과의 상호작용도 강해진다. 그러면 위치나 속도 같은 물체의 상태가 정확해지면서 파동으로서의 성질은 사라진다. 게티이미지뱅크 제공


예를 들어 박 교수가 주로 연구하는 고온초전도체 분야에서는 여러 입자 사이의 상호작용을 계산하는 '다체문제(many-body problem)'를 풀어야 한다. 입자 수가 조금만 많아져도 연산 횟수가 기하급수적으로 많아져 기존 방식의 컴퓨터로는 계산이 불가능하다.
한 번에 여러 변수를 동시에 계산해 최적의 값을 찾아내는 데 특화된 양자컴퓨터는 다체문제를 비롯한 '양자 문제'를 해결할 기술로 꼽힌다. 아직 범용적으로 쓰이기엔 무리가 있지만 양자컴퓨터의 정보 처리 단위인 큐비트(qubit) 수가 충분히 늘어나면 의미 있는 결과를 낼 것으로 기대된다. 양자과학기술만이 해결할 수 있는 문제가 있다는 것이다.
박 교수는 "양자컴퓨터 구현이 불가능하다고 생각하는 사람도 있다"며 양자과학기술을 초기 비행기에 비유했다. 그는 "과거 다빈치가 스케치한 기계는 인간의 근육으로 구동되지 않았을 뿐 현재의 비행기와 원리는 같다"고 말했다.
박 교수는 앞으로 양자역학이 상식이 되는 시대가 올 것이라고 내다봤다. 그는 "인공지능(AI)도 처음엔 연구자들만 다뤘지만 지금은 누구나 쓰고 있다"며 "연구자가 아닌 사람이 양자 원리를 정확히 이해할 필요는 없지만 핵심 아이디어는 완전히 상식이 될 것"이라고 밝혔다.
AI 기술의 역사에서 AI에 대한 사람들의 관심과 투자가 감소했던 기간을 'AI 겨울(AI Winter)'이라고 표현한다. 박 교수는 "그런 시기에도 살아남는 과학자는 있었다"며 "앞으로 '양자 겨울'이 오더라도 과학자들은 새로운 길을 발견해 결국 양자과학기술의 시대가 도래할 것"이라고 전했다.
[이병구 기자 2bottle9@donga.com]