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국가 표준에서 양자 혁명까지: 한 걸음 더 들어가 본 ‘초전도 양자컴퓨팅 시스템 연구단’

탐방연구실 초전도 양자 컴퓨팅 시스템 연구단 글 작성  퀀텀웨이브 학생 기자단 : 이성빈 (서울대학교); 김성은(연세대학교);박연수 (연세대학교); 김한결 (광운대학교); 이정우 (한국과학기술원) 과학과 빵의 도시, 대전에는 항공우주, 원자력, 에너지, 국방 등 다양한 분야의 정부출연 연구기관들이 자리하고 있습니다. 그 중심에 선 한국표준과학연구원(KRISS)은 올해로 설립 50주년을 맞이하며, 반세기 동안 우리나라 국가 표준의 기틀을 다져왔습니다. KRISS는 길이, 질량, 시간, 전류, 온도, 물질량, 광도 - 총 7개의 SI 기본단위를 기준으로 측정의 표준을 마련하고 있으며, 최근에는 보다 정밀한 표준 확립을 위해 자연계의 기초상수를 기반으로 한 새로운 방식의 정의에도 도전하고 있습니다. 이러한 표준의 정밀성은 단순한 수치 이상의 의미를 갖습니다. 정밀한 표준은 과학기술 전반의 신뢰도와 정확도를 뒷받침하는 기반이자, 극한까지 정제된 측정 기술은 새로운 과학을 가능하게 하는 원동력입니다. KRISS는 이 같은 정밀 계측을 위해 광학, 원자, 초전도 등 다양한 물리 시스템에서 제어와 측정 기술을 극한으로 끌어올려 왔습니다. 특히, 원자 단위 수준의 불확실성을 제어하고 수십 억 분의 일 초 단위를 측정하는 이러한 기술은 양자 세계를 직접 다루는 데 없어서는 안 될 기반입니다. 다시 말해, 정밀 계측을 위한 표준 기술의 진보는 자연스럽게 양자 상태의 생성, 제어, 측정으로 이어졌고, 이는 곧 양자 기술 개발의 출발점이자 핵심 축이 된 것입니다. 그 결과는 초정밀 원자 시계, 중력계, 양자 자기장 센서 등 첨단 계측기술로 이어졌으며, 이는 곧 양자 과학기술의 핵심 원천기술로도 활용되고 있습니다. 이러한 기술 발전의 중심에는 표준 과학연구원 내 '초전도 양자 시스템 연구단 (단장 이용호)'과 '양자 기술 연구소(소장 최재혁)'가 있습니다. 그 중 초전도 양자 시스템 연구단은 초전도 큐비트 기술을 기반으로 양자컴퓨터의 하드웨어 플랫폼을 개발하며, 국내 양자 컴퓨팅 연구를 선도하고 있습니다. 연구단 로비에는 초고진공, 극저온 환경에서 초전도 큐비트 시스템을 동작 시키기 위한 금색 반짝이는 샹들리에 같은 냉각 장치와 최신 연구 성과들이 전시되어 있어 방문객들의 관심을 끌고 있습니다. 오늘은 차세대 양자 정보 기술의 심장부, 표준과학연구원의 초전도 양자 시스템 연구단을 직접 찾아가 그 첨단 연구 현장을 들여다봅니다. 이미지 확대보기 SI 기본단위를 상징하는 7개 기둥의 KRISS 정문 (이미지 출처 : 한국표준과학연구원 ) 이미지 확대보기 초전도 큐비트 칩 & 연구단 로비에 전시된 초전도 양자컴퓨팅 냉각 시스템 (이미지 출처 : 한국표준과학연구원) 한국표준과학연구원(KRISS)은 국가 표준을 책임지는 기관으로, 광도·질량 표준, 원자 시계 등 정밀 측정 분야에서 세계적 위상을 갖고 있습니다. 최근에는 양자역학적 현상을 측정 표준에 적극 활용하며, 나아가 초전도 기반 양자컴퓨팅 시스템 개발에도 박차를 가하고 있습니다. 홍창기 선임연구원은 말했습니다. “저희 연구단은 2022년에 신설되었지만, KRISS에서는 이미 30년 넘게 조셉슨 접합(Josephson Junction) 기술을 연구해왔습니다. 이러한 기반 위에서 초전도 양자컴퓨터에 대한 수요 증가에 대응하고자 연구단이 발족되었습니다. 현재 책임연구원 1명, 선임연구원 5명, 책임기술원 1명, 선임기술원 4명으로 구성되어 있습니다.” 이미지 확대보기 KRISS 견학 학생들과 연구소를 설명해주시는 홍창기 선임연구원 표준과 양자의 만남 KRISS는 오랫동안 ‘측정 표준’을 정의하는 역할을 맡아왔다. 그렇다면 양자역학은 표준 연구와 어떤 관계를 맺고 있을까? “오늘날 많은 측정 표준은 양자역학적 상수를 활용해 재정의됩니다. 예를 들어 미터는 광속을, 전압은 플랑크 상수와 양자 홀 효과를 이용해 정의하죠. 즉, 양자역학은 이미 표준 연구의 핵심에 있습니다. 다만 국민들이 체감하기는 어렵습니다. 일상에서 ‘갑자기 무언가 달라졌다’기보다는, 보이지 않게 정밀도가 높아지고 있다는 점이 중요합니다.” 양자컴퓨터의 현재 최근 대중 매체에서는 양자컴퓨터가 이미 물류, 화학 계산 등에 활용된다는 보도부터, 수백만 큐비트 없이는 아직 실용화는 멀었다는 의견까지 엇갈립니다. 이에 대해 현장에서 양자 컴퓨팅을 연구하는 홍창기 박사는 현재 개발중인 양자 컴퓨팅 기술 수준에 대해 다음과 같이 말합니다. “아직 특정 플랫폼이 확실히 우위를 점했다고 말하기 어렵습니다. 다만 전 세계적으로 가장 많은 투자가 이뤄지고 있는 분야는 초전도 플랫폼입니다. 글로벌 기업들이 집중하고 있기 때문이죠. 한국에서도 다양한 플랫폼 연구가 진행되고 있지만, 저희 연구단은 초전도 기반 양자컴퓨터에 집중하고 있습니다. 현재 20큐비트와 24큐비트 시스템을 연구 중이며, 칩은 성균관대와 협력해 제작하고 있습니다. 향후 플립칩이나 TSV(Through-Silicon Via) 기술은 UNIST와 협력하여 개발해 나갈 예정입니다.” KRISS는 국가 표준 연구의 오랜 전통을 바탕으로, 양자역학을 활용한 정밀 측정뿐 아니라 미래 양자컴퓨팅 기술 확보에도 도전하고 있다. 학생 기자단은 이번 취재를 통해 “보이지 않는 곳에서 표준과 양자가 이미 긴밀히 맞닿아 있으며, 한국의 양자컴퓨터 개발 역시 연구자들의 꾸준한 협력 속에서 차근차근 진전되고 있다는 점을 확인할 수 있었다. 이미지 확대보기 국내 연구진이 개발한 20큐비트급 초전도 양자컴퓨팅 시스템 양자컴퓨터는 아직 수백만 큐비트의 완전한 오류보정 단계에는 이르지 못했지만, ‘NISQ(노이즈가 있는 중간 규모 양자컴퓨터)’라는 과도기적 시대에서 점차 응용 가능성이 탐색되고 있다. “예전에 고전 컴퓨터가 처음 등장했을 때 가장 먼저 큰 도약을 한 분야는 화학이었습니다. 양자컴퓨터도 마찬가지로 화학 분야에서 가장 먼저 의미 있는 결과가 나올 가능성이 큽니다. 실제로 대학 연구실에서는 대학원생, 학부생들이 모여 스터디 그룹을 꾸려 양자컴퓨터로 어떤 계산을 해볼 수 있을지 연구하고 있습니다. 신약 개발, 금융, 컨설팅 등에서도 양자컴퓨터 활용 가능성에 많은 관심을 두고 있습니다.” 양자 이득, 언제 실현될까? 양자컴퓨터가 고전컴퓨터를 뛰어넘는 지점, 이른바 ‘양자 이득(Quantum Advantage)’은 언제쯤 실현될 수 있을까? “일부 알고리즘에서는 이미 양자컴퓨터가 고전컴퓨터를 능가했다는 보고가 나오고 있습니다. 하지만 이는 특정한 문제에 국한된 것이고, 일반적인 상황에서 양자컴퓨터가 항상 빠르다고 말하기는 어렵습니다. 고전 컴퓨터도 문제 유형에 따라 어떤 시스템이 빠를 수 있듯, 양자컴퓨터 역시 문제 정의에 따라 이미 우월할 수도 있고, 앞으로 더 많은 문제에서 강점을 보일 수도 있습니다. 다만 ‘언제 보편적으로 양자 이득을 가진다’는 질문에는 아직 명확히 답하기 어렵습니다.” 글로벌 기업과 국가 연구소, 무엇이 다른가? 구글, IBM, IonQ, QuEra 등 글로벌 기업들은 초전도·이온트랩·중성원자 등 다양한 플랫폼에 막대한 투자를 이어가고 있다. 반면 한국에서는 주로 대학과 연구소 중심으로 기술 개발이 진행 중이다. 이미지 확대보기 KRISS 연구실에서 20큐비트급 초전도체 양자컴퓨터를 점검하고 있는 연구원 “대기업은 양자컴퓨터가 상용화될 경우 막대한 파급력을 기대하며 투자합니다. 동시에 기업 이미지 차원에서도 선도 기술 확보를 강조하죠. 반면 연구소의 역할은 조금 다릅니다. 대학이 새로운 아이디어와 논문을 만들어낸다면, 연구소는 국가적으로 꼭 필요한 기반 기술을 책임지고 이어가는 곳입니다. 논문으로 보이지 않더라도, 국가가 기술적으로 종속되지 않기 위해 반드시 채워야 하는 영역을 담당하는 것이죠. 한국도 아직 선진 기업에 비해 따라가는 단계일 수 있지만, 지속적인 기술 축적을 통해 격차를 좁혀갈 수 있다고 생각합니다.” 산·학·연 협력으로 50큐비트 향해 KRISS는 국내 산학연 컨소시엄을 통해 초전도 양자컴퓨터 연구를 이끌고 있다. “20큐비트, 50큐비트 양자컴퓨터 인프라 구축사업을 통해 성균관대(칩 개발), UNIST(플립칩 및 TSV 공정), KISTI(클라우드 서비스)와 협력하고 있습니다. KRISS는 주관기관으로 측정과 시스템 통합을 맡고 있구요. 올해 3월에는 20큐비트 칩 시험에 성공했고, 현재는 24큐비트 시스템을 구축했습니다. 내년 말에는 50큐비트 시스템까지 확장하는 것을 목표로 하고 있습니다. 동시에 큐비트의 T1, T2* 결맞음 시간 향상 연구도 진행 중입니다.” 초전도 큐비트 방식은 전 세계적으로 가장 많은 투자가 집중된 분야지만, 극저온 유지·큐비트 간 간섭·오류율 관리 등 기술적 난제가 여전하다. KRISS는 이 중에서도 ‘측정 정확도’와 ‘칩 품질’을 최우선 과제로 삼고 있다. “KRISS는 측정 기관이다 보니, 가장 중요한 초점은 측정입니다. 첫째, 측정 과정에서 한계가 없도록 하는 것, 둘째, 정확도를 높일 수 있는 앰프 개발, 셋째, 칩 자체의 품질 개선 — 이 세 가지 축에 집중하고 있습니다. 동시에 산학연 협력을 통해 큐비트 수 확대와 국제 협력 과제를 수행하며 균형 있게 연구를 진행하고 있습니다.” 한국표준과학연구원 초전도양자컴퓨팅시스템 연구단은 기술 국산화와 확장성 확보를 통해 국내 양자컴퓨팅 연구의 새로운 지평을 열고 있습니다. 연구단은 앞으로도 학계·산업계와의 협력을 강화하며, 세계적 수준의 양자컴퓨팅 시스템 구축이라는 도전을 이어갈 계획입니다. 양자는 어렵지만 동시에 누구나 함께 도전할 수 있는 분야”라는 연구자의 말처럼, 앞으로도 많은 젊은 인재들과 연구자들이 이 길에 동참해 세계 무대에서 대한민국의 위상을 높여 주기를 기대합니다.

"과학이 예술이 될 때”, 이화여자대학교 IBS 양자나노과학연구단을 찾아간다.

탐방연구실 이화여자대학교 IBS 양자나노과학연구단 글 작성 퀀텀웨이브 학생 기자단 : 이성빈 (서울대학교) / 박성근 (고려대학교) / 김한결 (광운대학교) / 박연수 (연세대학교) / 이정우 (한국과학기술원) 이화여자대학교에는 세계적인 수준의 최첨단 기초과학 연구기관인 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학연구단(Center for Quantum Nanoscience, QNS)이 자리잡고 있습니다. 이 센터는 나노미터 수준, 더 나아가 단일 원자 단위의 세계를 탐구하며, 양자역학의 원리를 실제 기술에 접목하려는 야심 찬 목표를 가지고 있습니다. 연구단의 단장은 나노 과학 및 원자 조작 분야에서 세계적으로 손꼽히는 과학자인 안드레아스 하인리히(Andreas Heinrich) 교수로, 과거 IBM에서 STM(주사터널링현미경, Scanning Tunneling Microscope)을 활용하여 원자를 하나씩 옮겨 그림을 그리거나 게임을 구현하는 퍼포먼스 등은 세계 과학계에 큰 반향을 일으킨 바 있습니다. QNS는 단순히 과학적 호기심을 넘어서, 미래의 양자정보기술(Quantum Information Technology) 발전에 기여하고자 합니다. 원자를 이미징하고 재배열하는 연구는 단순한 ‘보여주기’에 그치지 않고, 양자 상태의 정밀한 제어와 측정을 기반으로 STM 팁 끝에 단일 분자를 붙여 자기장과 전기장을 서브-옹스트롬 정확도로 측정하는 양자 센싱 기술과 다중 전자 스핀 큐비트를 성공적으로 조작하는 STM 기반 다중 큐비트 플랫폼과 ESR을 접목한 원자/분자 큐비트의 단일-다중 논리 게이트 등 향후 양자컴퓨팅, 고감도 양자 센서 기술의 기반을 다지는 역할을 하고 있습니다. 이화여대에 위치한 QNS는 국내외 석학들과의 협력 속에서 세계적 연구 성과를 꾸준히 발표하고 있습니다. 또한 젊은 과학자들에게 세계 최고 수준의 실험 환경과 연구 기회를 제공하며, 차세대 과학기술 인재 양성에도 앞장서고 있습니다. 나아가 국제적인 연구자들이 활발히 교류하는 장이기도 하며, 예술과 접목하여 다양한 방식으로 대중과 소통하는 장이기도 합니다. 기술과 예술, 과학과 사람 사이에서 새로운 길을 모색하는 QNS의 연구자들의 도전과 여정은 이제 막 시작되었을 뿐입니다. 원자 세계를 탐험하며 미래를 설계하는 곳 - 바로 이화여대의 IBS 양자나노과학연구단입니다. 이미지 확대보기 QNS 장원준 박사, Advanced STM for quantum material Team Leader 이런 다양성은 연구 방식에만 국한되지 않습니다. 연구단의 삶의 방식과 조직 문화 역시 구성원 모두가 함께 만들어갑니다. 실험실 안에서 원활한 소통과 협업을 위해, 연구자들은 각자가 중요하게 생각하는 가치를 모아 ‘QNS Culture’라는 가치 기반의 약속을 스스로 정립했습니다. 서로의 차이를 존중하는 환경 속에서, 공동의 과학적 목표를 향해 함께 나아가는 이들의 모습은 글로벌 과학 협력의 새로운 가능성을 보여줍니다. 이미지 확대보기 구성원 스스로가 정한 핵심 QNS Culture 액자 속 ‘Responsible’ 문구가 눈에 띄는 모습 한국 최초 큐비트 플랫폼 구축과 원자 단위 양자 제어로 'Outstanding' 평가 획득 최근 QNS는 IBS 본원 평가에서 최고 등급인 ‘Outstanding’ 평가를 받았습니다. 3년마다 시행되는 이 평가는 연구단의 연구 지속 여부를 결정하는 중요한 지표로, 이번 평가를 통해 앞으로 6년간 현재 연구를 계속할 수 있는 권한을 부여받았다는 점에서 큰 의미가 있습니다. QNS는 논문의 영향력 지수(impact factor)가 다른 연구단과 비슷한 수준임에도 불구하고, 기존 연구 틀에 얽매이지 않고 독창적이며 도전적인 연구를 꾸준히 이어온 점이 높이 평가받았다고 보고 있습니다. 특히 연구단이 한국 최초 새로운 접근 방식의 큐비트 플랫폼 구축과 원자 단위 양자 제어, 이를 위한 연구 장비를 직접 제작하는 등의 새로운 시도들이 이번 성과에 크게 기여했습니다. 특히 기존의 주사터널링현미경(STM, Scanning Tunneling Microscope)의 한계를 넘어서기 위해, RF 신호를 STM에 더한 ESR (Electron Spin Resonance) STM 시스템을 자체 개발했습니다. 현재는 STM과 광학 실험법을 결합한 새로운 실험 플랫폼을 구축 중이며, 이를 통해 원자 수준에서 양자 상태를 조작하는 새로운 물리 실험의 장을 열고 있습니다. 이미지 확대보기 BOB system: mK ESR(electron spin resonance) STM 이러한 실험 기술의 진보는 단순한 장비 개발에 그치지 않고, 실제로 세계적인 연구 성과로 이어지고 있습니다. 대표적으로, QNS의 STM 기반 스핀 큐비트 플랫폼은 2023년 Science에 소개된 바 있습니다. 양자 정보 기술 연구가 초전도체, 이온트랩, 광자 큐비트 기반에 집중되어 있는 것과 달리, QNS는 STM과 물질 표면 원자를 기반으로 한 독창적인 방식으로 큐비트를 구현했으며, 단일 원자 큐비트 제어를 넘어 다수 원자 큐비트 제어와 양자 게이트 구현에 성공하여 세계적인 주목을 받았습니다. “지금까지 한국에서 자체적으로 시작된 큐비트 플랫폼은 없었기에, 저희가 ‘새로운 방식의 큐비트 플랫폼’을 개발했다는 점에 큰 자부심을 가지고 있습니다.” 이와 더불어, QNS는 Nature Nanotechnology에 발표한 또 다른 연구를 통해, 단일 원자의 전기쌍극자 모멘트와 자기쌍극자 모멘트를 측정하는 데 성공했습니다. 현재 양자 센서 분야에서는 AFM(Atomic Force Microscopy)과 다이아몬드 내 스핀 점 결함을 결합한 방식이 높은 자기장 측정 민감도로 주목받고 있지만, 수십 나노미터 수준의 공간 분해능으로 인해 원자 단위 측정에는 한계가 있었습니다. QNS의 이번 연구는 이 한계를 넘어 1 nm 이하의 원자 수준 공간 분해능을 달성했다는 점에서 큰 의미를 가집니다. QNS의 궁극적인 목표는 양자역학의 본질을 가장 근본적인 수준에서 실험적으로 이해하는 것입니다. 이를 위해 연구단은 표면 위 단일 스핀 원자를 실험 대상으로 삼아, 원자 단위에서 완벽한 제어성과 재현성을 지닌 양자 시스템을 구현하고 있습니다. 단순히 큐비트의 수를 늘리는 기술적 실용성에만 초점을 맞추고 있기 보다는, ‘큐비트 간 상호작용 과정에서 나타나는 근본적인 양자 현상들’에 더 큰 관심을 가지고 연구를 진행하고 있습니다. 많은 연구자들이 큐비트의 결과적 활용에 집중해왔다면, QNS는 그 과정 속에 놓쳐왔던 기초적인 물리 현상과 원리를 탐구하며 새로운 과학적 통찰을 추구하고 있다고 전했습니다. 양자나노과학 연구에서 원자 단위의 움직임을 제어하는 기술이 크게 주목받고 있지만, 일반 대중에게는 아직 먼 미래의 이야기처럼 느껴질 수 있습니다. 이에 대해 장원준 박사는 이 기술의 진정한 의미는 "가능성을 상상할 수 있게 만드는 데 있다"고 강조합니다. “지금 원자를 움직일 수 있다는 사실을 사람들에게 알렸습니다. 이걸 바탕으로 이야기꾼들은 ‘원자를 움직여서 이런 사회를 만들 수 있지 않을까’ 하는 스토리를 쓸 것이고, 그 문화를 습득한 다음 세대는 그것을 기반으로 미래를 설계하겠죠. 지금은 비록 실생활에서 당장 쓸 수 있는 기술은 아닐지라도, 이 한 가지 사실이 사회 전체에 굉장히 큰 파장을 줄 수 있습니다.” “양자의 감동, 예술로 말하다” QNS를 더욱 특별하게 만드는 요소는 ‘과학과 예술의 만남’입니다. 센터 내부에는 상주 예술가가 있으며, 과학자와 예술가가 함께 세미나를 열고 영감을 나누며, 양자에서 느낀 감각을 예술로 표현하는 행사 ‘미술 공모전 (Art Contest)’도 정기적으로 개최하고 있습니다. 이미지 확대보기 STM 이미지 기반 양자 세계의 예술적 표현 이미지 확대보기 양자 세계를 표현한 초등학생 미술공모전 작품 수상작 센터 라운지 한쪽 벽면에는 초등학생들이 양자 세계를 상상하며 그린 미술 공모전 수상작들이 전시되어 있습니다. 원자 단위에서 일어나는 현상을 자유롭게 상상하고 표현한 작품들은, 앞서 언급된 “가능성을 상상하게 할 수 있다”는 말과 깊이 맞닿아 있습니다. 원자를 움직일 수 있다는 사실이 어른들뿐만 아니라 아이들에게도 새로운 세계를 상상하게 만든 것입니다.  QNS는 이처럼 생각의 전환과 사고의 융합이 연구를 한 단계 발전시키는 핵심 동력임을 믿고 있으며, 과학과 예술이 만나 창조적인 혁신을 실현하는 문화를 만들어가고 있습니다.

국가 표준에서 양자 혁명까지: 한 걸음 더 들어가 본 ‘초전도 양자컴퓨팅 시스템 연구단’

탐방연구실 초전도 양자 컴퓨팅 시스템 연구단 글 작성  퀀텀웨이브 학생 기자단 : 이성빈 (서울대학교); 김성은(연세대학교);박연수 (연세대학교); 김한결 (광운대학교); 이정우 (한국과학기술원) 과학과 빵의 도시, 대전에는 항공우주, 원자력, 에너지, 국방 등 다양한 분야의 정부출연 연구기관들이 자리하고 있습니다. 그 중심에 선 한국표준과학연구원(KRISS)은 올해로 설립 50주년을 맞이하며, 반세기 동안 우리나라 국가 표준의 기틀을 다져왔습니다. KRISS는 길이, 질량, 시간, 전류, 온도, 물질량, 광도 - 총 7개의 SI 기본단위를 기준으로 측정의 표준을 마련하고 있으며, 최근에는 보다 정밀한 표준 확립을 위해 자연계의 기초상수를 기반으로 한 새로운 방식의 정의에도 도전하고 있습니다. 이러한 표준의 정밀성은 단순한 수치 이상의 의미를 갖습니다. 정밀한 표준은 과학기술 전반의 신뢰도와 정확도를 뒷받침하는 기반이자, 극한까지 정제된 측정 기술은 새로운 과학을 가능하게 하는 원동력입니다. KRISS는 이 같은 정밀 계측을 위해 광학, 원자, 초전도 등 다양한 물리 시스템에서 제어와 측정 기술을 극한으로 끌어올려 왔습니다. 특히, 원자 단위 수준의 불확실성을 제어하고 수십 억 분의 일 초 단위를 측정하는 이러한 기술은 양자 세계를 직접 다루는 데 없어서는 안 될 기반입니다. 다시 말해, 정밀 계측을 위한 표준 기술의 진보는 자연스럽게 양자 상태의 생성, 제어, 측정으로 이어졌고, 이는 곧 양자 기술 개발의 출발점이자 핵심 축이 된 것입니다. 그 결과는 초정밀 원자 시계, 중력계, 양자 자기장 센서 등 첨단 계측기술로 이어졌으며, 이는 곧 양자 과학기술의 핵심 원천기술로도 활용되고 있습니다. 이러한 기술 발전의 중심에는 표준 과학연구원 내 '초전도 양자 시스템 연구단 (단장 이용호)'과 '양자 기술 연구소(소장 최재혁)'가 있습니다. 그 중 초전도 양자 시스템 연구단은 초전도 큐비트 기술을 기반으로 양자컴퓨터의 하드웨어 플랫폼을 개발하며, 국내 양자 컴퓨팅 연구를 선도하고 있습니다. 연구단 로비에는 초고진공, 극저온 환경에서 초전도 큐비트 시스템을 동작 시키기 위한 금색 반짝이는 샹들리에 같은 냉각 장치와 최신 연구 성과들이 전시되어 있어 방문객들의 관심을 끌고 있습니다. 오늘은 차세대 양자 정보 기술의 심장부, 표준과학연구원의 초전도 양자 시스템 연구단을 직접 찾아가 그 첨단 연구 현장을 들여다봅니다. 이미지 확대보기 SI 기본단위를 상징하는 7개 기둥의 KRISS 정문 (이미지 출처 : 한국표준과학연구원 ) 이미지 확대보기 초전도 큐비트 칩 & 연구단 로비에 전시된 초전도 양자컴퓨팅 냉각 시스템 (이미지 출처 : 한국표준과학연구원) 한국표준과학연구원(KRISS)은 국가 표준을 책임지는 기관으로, 광도·질량 표준, 원자 시계 등 정밀 측정 분야에서 세계적 위상을 갖고 있습니다. 최근에는 양자역학적 현상을 측정 표준에 적극 활용하며, 나아가 초전도 기반 양자컴퓨팅 시스템 개발에도 박차를 가하고 있습니다. 홍창기 선임연구원은 말했습니다. “저희 연구단은 2022년에 신설되었지만, KRISS에서는 이미 30년 넘게 조셉슨 접합(Josephson Junction) 기술을 연구해왔습니다. 이러한 기반 위에서 초전도 양자컴퓨터에 대한 수요 증가에 대응하고자 연구단이 발족되었습니다. 현재 책임연구원 1명, 선임연구원 5명, 책임기술원 1명, 선임기술원 4명으로 구성되어 있습니다.” 이미지 확대보기 KRISS 견학 학생들과 연구소를 설명해주시는 홍창기 선임연구원 표준과 양자의 만남 KRISS는 오랫동안 ‘측정 표준’을 정의하는 역할을 맡아왔다. 그렇다면 양자역학은 표준 연구와 어떤 관계를 맺고 있을까? “오늘날 많은 측정 표준은 양자역학적 상수를 활용해 재정의됩니다. 예를 들어 미터는 광속을, 전압은 플랑크 상수와 양자 홀 효과를 이용해 정의하죠. 즉, 양자역학은 이미 표준 연구의 핵심에 있습니다. 다만 국민들이 체감하기는 어렵습니다. 일상에서 ‘갑자기 무언가 달라졌다’기보다는, 보이지 않게 정밀도가 높아지고 있다는 점이 중요합니다.” 양자컴퓨터의 현재 최근 대중 매체에서는 양자컴퓨터가 이미 물류, 화학 계산 등에 활용된다는 보도부터, 수백만 큐비트 없이는 아직 실용화는 멀었다는 의견까지 엇갈립니다. 이에 대해 현장에서 양자 컴퓨팅을 연구하는 홍창기 박사는 현재 개발중인 양자 컴퓨팅 기술 수준에 대해 다음과 같이 말합니다. “아직 특정 플랫폼이 확실히 우위를 점했다고 말하기 어렵습니다. 다만 전 세계적으로 가장 많은 투자가 이뤄지고 있는 분야는 초전도 플랫폼입니다. 글로벌 기업들이 집중하고 있기 때문이죠. 한국에서도 다양한 플랫폼 연구가 진행되고 있지만, 저희 연구단은 초전도 기반 양자컴퓨터에 집중하고 있습니다. 현재 20큐비트와 24큐비트 시스템을 연구 중이며, 칩은 성균관대와 협력해 제작하고 있습니다. 향후 플립칩이나 TSV(Through-Silicon Via) 기술은 UNIST와 협력하여 개발해 나갈 예정입니다.” KRISS는 국가 표준 연구의 오랜 전통을 바탕으로, 양자역학을 활용한 정밀 측정뿐 아니라 미래 양자컴퓨팅 기술 확보에도 도전하고 있다. 학생 기자단은 이번 취재를 통해 “보이지 않는 곳에서 표준과 양자가 이미 긴밀히 맞닿아 있으며, 한국의 양자컴퓨터 개발 역시 연구자들의 꾸준한 협력 속에서 차근차근 진전되고 있다는 점을 확인할 수 있었다. 이미지 확대보기 국내 연구진이 개발한 20큐비트급 초전도 양자컴퓨팅 시스템 양자컴퓨터는 아직 수백만 큐비트의 완전한 오류보정 단계에는 이르지 못했지만, ‘NISQ(노이즈가 있는 중간 규모 양자컴퓨터)’라는 과도기적 시대에서 점차 응용 가능성이 탐색되고 있다. “예전에 고전 컴퓨터가 처음 등장했을 때 가장 먼저 큰 도약을 한 분야는 화학이었습니다. 양자컴퓨터도 마찬가지로 화학 분야에서 가장 먼저 의미 있는 결과가 나올 가능성이 큽니다. 실제로 대학 연구실에서는 대학원생, 학부생들이 모여 스터디 그룹을 꾸려 양자컴퓨터로 어떤 계산을 해볼 수 있을지 연구하고 있습니다. 신약 개발, 금융, 컨설팅 등에서도 양자컴퓨터 활용 가능성에 많은 관심을 두고 있습니다.” 양자 이득, 언제 실현될까? 양자컴퓨터가 고전컴퓨터를 뛰어넘는 지점, 이른바 ‘양자 이득(Quantum Advantage)’은 언제쯤 실현될 수 있을까? “일부 알고리즘에서는 이미 양자컴퓨터가 고전컴퓨터를 능가했다는 보고가 나오고 있습니다. 하지만 이는 특정한 문제에 국한된 것이고, 일반적인 상황에서 양자컴퓨터가 항상 빠르다고 말하기는 어렵습니다. 고전 컴퓨터도 문제 유형에 따라 어떤 시스템이 빠를 수 있듯, 양자컴퓨터 역시 문제 정의에 따라 이미 우월할 수도 있고, 앞으로 더 많은 문제에서 강점을 보일 수도 있습니다. 다만 ‘언제 보편적으로 양자 이득을 가진다’는 질문에는 아직 명확히 답하기 어렵습니다.” 글로벌 기업과 국가 연구소, 무엇이 다른가? 구글, IBM, IonQ, QuEra 등 글로벌 기업들은 초전도·이온트랩·중성원자 등 다양한 플랫폼에 막대한 투자를 이어가고 있다. 반면 한국에서는 주로 대학과 연구소 중심으로 기술 개발이 진행 중이다. 이미지 확대보기 KRISS 연구실에서 20큐비트급 초전도체 양자컴퓨터를 점검하고 있는 연구원 “대기업은 양자컴퓨터가 상용화될 경우 막대한 파급력을 기대하며 투자합니다. 동시에 기업 이미지 차원에서도 선도 기술 확보를 강조하죠. 반면 연구소의 역할은 조금 다릅니다. 대학이 새로운 아이디어와 논문을 만들어낸다면, 연구소는 국가적으로 꼭 필요한 기반 기술을 책임지고 이어가는 곳입니다. 논문으로 보이지 않더라도, 국가가 기술적으로 종속되지 않기 위해 반드시 채워야 하는 영역을 담당하는 것이죠. 한국도 아직 선진 기업에 비해 따라가는 단계일 수 있지만, 지속적인 기술 축적을 통해 격차를 좁혀갈 수 있다고 생각합니다.” 산·학·연 협력으로 50큐비트 향해 KRISS는 국내 산학연 컨소시엄을 통해 초전도 양자컴퓨터 연구를 이끌고 있다. “20큐비트, 50큐비트 양자컴퓨터 인프라 구축사업을 통해 성균관대(칩 개발), UNIST(플립칩 및 TSV 공정), KISTI(클라우드 서비스)와 협력하고 있습니다. KRISS는 주관기관으로 측정과 시스템 통합을 맡고 있구요. 올해 3월에는 20큐비트 칩 시험에 성공했고, 현재는 24큐비트 시스템을 구축했습니다. 내년 말에는 50큐비트 시스템까지 확장하는 것을 목표로 하고 있습니다. 동시에 큐비트의 T1, T2* 결맞음 시간 향상 연구도 진행 중입니다.” 초전도 큐비트 방식은 전 세계적으로 가장 많은 투자가 집중된 분야지만, 극저온 유지·큐비트 간 간섭·오류율 관리 등 기술적 난제가 여전하다. KRISS는 이 중에서도 ‘측정 정확도’와 ‘칩 품질’을 최우선 과제로 삼고 있다. “KRISS는 측정 기관이다 보니, 가장 중요한 초점은 측정입니다. 첫째, 측정 과정에서 한계가 없도록 하는 것, 둘째, 정확도를 높일 수 있는 앰프 개발, 셋째, 칩 자체의 품질 개선 — 이 세 가지 축에 집중하고 있습니다. 동시에 산학연 협력을 통해 큐비트 수 확대와 국제 협력 과제를 수행하며 균형 있게 연구를 진행하고 있습니다.” 한국표준과학연구원 초전도양자컴퓨팅시스템 연구단은 기술 국산화와 확장성 확보를 통해 국내 양자컴퓨팅 연구의 새로운 지평을 열고 있습니다. 연구단은 앞으로도 학계·산업계와의 협력을 강화하며, 세계적 수준의 양자컴퓨팅 시스템 구축이라는 도전을 이어갈 계획입니다. 양자는 어렵지만 동시에 누구나 함께 도전할 수 있는 분야”라는 연구자의 말처럼, 앞으로도 많은 젊은 인재들과 연구자들이 이 길에 동참해 세계 무대에서 대한민국의 위상을 높여 주기를 기대합니다.

"과학이 예술이 될 때”, 이화여자대학교 IBS 양자나노과학연구단을 찾아간다.

탐방연구실 이화여자대학교 IBS 양자나노과학연구단 글 작성 퀀텀웨이브 학생 기자단 : 이성빈 (서울대학교) / 박성근 (고려대학교) / 김한결 (광운대학교) / 박연수 (연세대학교) / 이정우 (한국과학기술원) 이화여자대학교에는 세계적인 수준의 최첨단 기초과학 연구기관인 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학연구단(Center for Quantum Nanoscience, QNS)이 자리잡고 있습니다. 이 센터는 나노미터 수준, 더 나아가 단일 원자 단위의 세계를 탐구하며, 양자역학의 원리를 실제 기술에 접목하려는 야심 찬 목표를 가지고 있습니다. 연구단의 단장은 나노 과학 및 원자 조작 분야에서 세계적으로 손꼽히는 과학자인 안드레아스 하인리히(Andreas Heinrich) 교수로, 과거 IBM에서 STM(주사터널링현미경, Scanning Tunneling Microscope)을 활용하여 원자를 하나씩 옮겨 그림을 그리거나 게임을 구현하는 퍼포먼스 등은 세계 과학계에 큰 반향을 일으킨 바 있습니다. QNS는 단순히 과학적 호기심을 넘어서, 미래의 양자정보기술(Quantum Information Technology) 발전에 기여하고자 합니다. 원자를 이미징하고 재배열하는 연구는 단순한 ‘보여주기’에 그치지 않고, 양자 상태의 정밀한 제어와 측정을 기반으로 STM 팁 끝에 단일 분자를 붙여 자기장과 전기장을 서브-옹스트롬 정확도로 측정하는 양자 센싱 기술과 다중 전자 스핀 큐비트를 성공적으로 조작하는 STM 기반 다중 큐비트 플랫폼과 ESR을 접목한 원자/분자 큐비트의 단일-다중 논리 게이트 등 향후 양자컴퓨팅, 고감도 양자 센서 기술의 기반을 다지는 역할을 하고 있습니다. 이화여대에 위치한 QNS는 국내외 석학들과의 협력 속에서 세계적 연구 성과를 꾸준히 발표하고 있습니다. 또한 젊은 과학자들에게 세계 최고 수준의 실험 환경과 연구 기회를 제공하며, 차세대 과학기술 인재 양성에도 앞장서고 있습니다. 나아가 국제적인 연구자들이 활발히 교류하는 장이기도 하며, 예술과 접목하여 다양한 방식으로 대중과 소통하는 장이기도 합니다. 기술과 예술, 과학과 사람 사이에서 새로운 길을 모색하는 QNS의 연구자들의 도전과 여정은 이제 막 시작되었을 뿐입니다. 원자 세계를 탐험하며 미래를 설계하는 곳 - 바로 이화여대의 IBS 양자나노과학연구단입니다. 이미지 확대보기 QNS 장원준 박사, Advanced STM for quantum material Team Leader 이런 다양성은 연구 방식에만 국한되지 않습니다. 연구단의 삶의 방식과 조직 문화 역시 구성원 모두가 함께 만들어갑니다. 실험실 안에서 원활한 소통과 협업을 위해, 연구자들은 각자가 중요하게 생각하는 가치를 모아 ‘QNS Culture’라는 가치 기반의 약속을 스스로 정립했습니다. 서로의 차이를 존중하는 환경 속에서, 공동의 과학적 목표를 향해 함께 나아가는 이들의 모습은 글로벌 과학 협력의 새로운 가능성을 보여줍니다. 이미지 확대보기 구성원 스스로가 정한 핵심 QNS Culture 액자 속 ‘Responsible’ 문구가 눈에 띄는 모습 한국 최초 큐비트 플랫폼 구축과 원자 단위 양자 제어로 'Outstanding' 평가 획득 최근 QNS는 IBS 본원 평가에서 최고 등급인 ‘Outstanding’ 평가를 받았습니다. 3년마다 시행되는 이 평가는 연구단의 연구 지속 여부를 결정하는 중요한 지표로, 이번 평가를 통해 앞으로 6년간 현재 연구를 계속할 수 있는 권한을 부여받았다는 점에서 큰 의미가 있습니다. QNS는 논문의 영향력 지수(impact factor)가 다른 연구단과 비슷한 수준임에도 불구하고, 기존 연구 틀에 얽매이지 않고 독창적이며 도전적인 연구를 꾸준히 이어온 점이 높이 평가받았다고 보고 있습니다. 특히 연구단이 한국 최초 새로운 접근 방식의 큐비트 플랫폼 구축과 원자 단위 양자 제어, 이를 위한 연구 장비를 직접 제작하는 등의 새로운 시도들이 이번 성과에 크게 기여했습니다. 특히 기존의 주사터널링현미경(STM, Scanning Tunneling Microscope)의 한계를 넘어서기 위해, RF 신호를 STM에 더한 ESR (Electron Spin Resonance) STM 시스템을 자체 개발했습니다. 현재는 STM과 광학 실험법을 결합한 새로운 실험 플랫폼을 구축 중이며, 이를 통해 원자 수준에서 양자 상태를 조작하는 새로운 물리 실험의 장을 열고 있습니다. 이미지 확대보기 BOB system: mK ESR(electron spin resonance) STM 이러한 실험 기술의 진보는 단순한 장비 개발에 그치지 않고, 실제로 세계적인 연구 성과로 이어지고 있습니다. 대표적으로, QNS의 STM 기반 스핀 큐비트 플랫폼은 2023년 Science에 소개된 바 있습니다. 양자 정보 기술 연구가 초전도체, 이온트랩, 광자 큐비트 기반에 집중되어 있는 것과 달리, QNS는 STM과 물질 표면 원자를 기반으로 한 독창적인 방식으로 큐비트를 구현했으며, 단일 원자 큐비트 제어를 넘어 다수 원자 큐비트 제어와 양자 게이트 구현에 성공하여 세계적인 주목을 받았습니다. “지금까지 한국에서 자체적으로 시작된 큐비트 플랫폼은 없었기에, 저희가 ‘새로운 방식의 큐비트 플랫폼’을 개발했다는 점에 큰 자부심을 가지고 있습니다.” 이와 더불어, QNS는 Nature Nanotechnology에 발표한 또 다른 연구를 통해, 단일 원자의 전기쌍극자 모멘트와 자기쌍극자 모멘트를 측정하는 데 성공했습니다. 현재 양자 센서 분야에서는 AFM(Atomic Force Microscopy)과 다이아몬드 내 스핀 점 결함을 결합한 방식이 높은 자기장 측정 민감도로 주목받고 있지만, 수십 나노미터 수준의 공간 분해능으로 인해 원자 단위 측정에는 한계가 있었습니다. QNS의 이번 연구는 이 한계를 넘어 1 nm 이하의 원자 수준 공간 분해능을 달성했다는 점에서 큰 의미를 가집니다. QNS의 궁극적인 목표는 양자역학의 본질을 가장 근본적인 수준에서 실험적으로 이해하는 것입니다. 이를 위해 연구단은 표면 위 단일 스핀 원자를 실험 대상으로 삼아, 원자 단위에서 완벽한 제어성과 재현성을 지닌 양자 시스템을 구현하고 있습니다. 단순히 큐비트의 수를 늘리는 기술적 실용성에만 초점을 맞추고 있기 보다는, ‘큐비트 간 상호작용 과정에서 나타나는 근본적인 양자 현상들’에 더 큰 관심을 가지고 연구를 진행하고 있습니다. 많은 연구자들이 큐비트의 결과적 활용에 집중해왔다면, QNS는 그 과정 속에 놓쳐왔던 기초적인 물리 현상과 원리를 탐구하며 새로운 과학적 통찰을 추구하고 있다고 전했습니다. 양자나노과학 연구에서 원자 단위의 움직임을 제어하는 기술이 크게 주목받고 있지만, 일반 대중에게는 아직 먼 미래의 이야기처럼 느껴질 수 있습니다. 이에 대해 장원준 박사는 이 기술의 진정한 의미는 "가능성을 상상할 수 있게 만드는 데 있다"고 강조합니다. “지금 원자를 움직일 수 있다는 사실을 사람들에게 알렸습니다. 이걸 바탕으로 이야기꾼들은 ‘원자를 움직여서 이런 사회를 만들 수 있지 않을까’ 하는 스토리를 쓸 것이고, 그 문화를 습득한 다음 세대는 그것을 기반으로 미래를 설계하겠죠. 지금은 비록 실생활에서 당장 쓸 수 있는 기술은 아닐지라도, 이 한 가지 사실이 사회 전체에 굉장히 큰 파장을 줄 수 있습니다.” “양자의 감동, 예술로 말하다” QNS를 더욱 특별하게 만드는 요소는 ‘과학과 예술의 만남’입니다. 센터 내부에는 상주 예술가가 있으며, 과학자와 예술가가 함께 세미나를 열고 영감을 나누며, 양자에서 느낀 감각을 예술로 표현하는 행사 ‘미술 공모전 (Art Contest)’도 정기적으로 개최하고 있습니다. 이미지 확대보기 STM 이미지 기반 양자 세계의 예술적 표현 이미지 확대보기 양자 세계를 표현한 초등학생 미술공모전 작품 수상작 센터 라운지 한쪽 벽면에는 초등학생들이 양자 세계를 상상하며 그린 미술 공모전 수상작들이 전시되어 있습니다. 원자 단위에서 일어나는 현상을 자유롭게 상상하고 표현한 작품들은, 앞서 언급된 “가능성을 상상하게 할 수 있다”는 말과 깊이 맞닿아 있습니다. 원자를 움직일 수 있다는 사실이 어른들뿐만 아니라 아이들에게도 새로운 세계를 상상하게 만든 것입니다.  QNS는 이처럼 생각의 전환과 사고의 융합이 연구를 한 단계 발전시키는 핵심 동력임을 믿고 있으며, 과학과 예술이 만나 창조적인 혁신을 실현하는 문화를 만들어가고 있습니다.