VOL. 48
원자력 e-뉴스레터는 과학기술정보통신부가
원자력의 연구 개발과 올바른 이용을 알리기 위해 매월 발간하는 종합 소식지입니다.
한국원자력연구원 첨단양자소재연구실
미래기술이 필요로 하는 막대한 정보처리 요구에 부응하기 위해 현재의 실리콘 기반 컴퓨터 기술을 대체·보완할 수 있는 양자정보기술이 주목받고 있음
미·중 기술패권 경쟁과 함께 미·일·EU·중 등 주요국들은 양자정보기술의 폭발적 파급력에 주목하여 주도권 확보를 위해 치열하게 경쟁 중
양자정보기술의 한 축을 차지하는 양자컴퓨터는 동시다발적 정보처리로 실리콘 기반 컴퓨터 대비 월등한 연산 성능(N→2N)을 보유
분야 | 적용 양자 특성 | 기술 목표 | 역할 및 활용 |
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양자컴퓨팅 |
중첩·얽힘을 이용한 정보의 동시처리 |
초고속 연산 (꿈의 컴퓨터) |
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양자통신 | 정보가 쉽게 붕괴·손상 |
높은 보안 능력 (차세대 방패) |
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양자센싱 | 높은 민감성 | 초정밀 계측 |
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①(미국) 세계 최초의 양자법 제정과 종합적 지원정책 마련을 위한 위원회 격상 등을 추진하는 가운데 국가 간 양자 기술통제와 기술블록화를 주도
②(일본) 양자컴퓨팅과 관련된 기초과학 위주의 개별 프로그램 투자 중심에서 국가차원의 전략을 마련하고 미국 중심의 기술 블록화에 적극 동참
③(EU) 양자플래그쉽 프로젝트 추진 및 EU 차원의 개발 로드맵 제시와 함께, 각 국별 특색에 맞는 개별 정책을 발표하여 경쟁적으로 연구역량을 고도화
④(중국) 최고 지도층의 관심으로 범국가적 차원의 양자분야 투자 확대
반도체·디스플레이, 이차전지, 첨단 이동수단, 차세대 원자력, 첨단바이오, 우주항공·해양, 수소, 사이버보안, 인공지능, 차세대 통신, 첨단로봇·제조, 양자
연산오류를 혁신적으로 해결할 수 있는 위상양자컴퓨터가 주목받고 있지만, 연산단위인 큐비트를 위한 소재 부재가 최대 장벽
위상큐비트 소재로 우라늄 화합물이 유력한 후보 물질로 거론되나, 기저물리 규명의 복잡함과, 스핀-삼중항 초전도성 실증, 계면에서 나타나는 마요라나 준입자 측정/제어의 어려움 존재
방식 | 장점 | 단점 | 해외수준 | 국내수준 |
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초전도체 |
빠른 게이트 속도, 반도체기술 활용 |
초저온 유지, 짧은 양자상태 유지시간 |
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이온트랩 |
소자 안전성, 높은 신뢰도 |
느린 게이트 속도, 복잡한 레이저 장치 |
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반도체 양자점 |
소자의 안전성, 반도체기술 활용 |
얽힘 구현 난이도 높음, 초저온 유지 |
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위상큐비트 | 오류 미발생 | 구현가능성 미입증 |
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고체결함 | 상온 작동 | 얽힘 구현 난이도 높음 |
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광자기반 | 제어와 전송 용이 | 대규모 얽힘 생성 어려움 |
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NISQ (Noisy intermediate scale quantum)은 양자정보를 여러 개의 큐비트에 걸쳐 저장하는 방식으로 오류를 수정하는 양자오류보정기술이라는 기술에 의존. 하지만 여전히 양자오류가 크게 존재하며, 오류 수정을 위해 추가로 필요한 큐비트 수와 계산량이 문제가 되어 제한된 용도의 활용만 가능함
양자상태의 수학적 구조를 위상(topology)이라고 하는데 위상양자컴퓨터의 연산단위인 위상큐비트(topological qubit)는 마요라나제로모드(MZM: Majorana zero mode)라고 하는 고체 내 준입자(quasiparticle)의 수학적 꼬임 상태를 정보 단위로 사용
마이크로소프트社는 큐비트 구현을 위해 나노선 초전도 이종접함 구조에 기반을 둔 위상큐비트 연구를 진행하고 마요라나제로모드 관측에 대한 논문을 출간하였으나, 최근 논문 검증 결과 실패로 판명되어 논문철회
현존 큐비트 | 양자상태 | 주요양자 잡음 원인 | 해결방안 | |
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원료소재 | 표면/계면 | |||
초전도체 |
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이온트랩 |
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반도체양자점 |
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고체 점결함 |
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위상 큐비트 |
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한국원자력연구원(이하 ‘원자력(연)’)이 보유한 방사선 측정/분석 기술을 복합적으로 활용하여 위상초전체, 양자스핀액체 소재 및 스핀트로닉스 소재 등 다양한 양자 신소재 연구 수행을 통해 미래 양자기술 기술 선도
국내 유일의 우라늄화합물 취급 및 제조 인허가를 받은 원자력(연)이 보유한 연구 역량을 기반으로 위상큐비트에 적용할 유력 후보 소재인 UTe2등 위상초전도 신소재를 개발하고 신소재가 안정성이 확보된 응용 소자 개발로 이어지는 규제 물질 함유 신소재/소자 개발 연구 환경 구
거대연구시설인 하나로 중성자산란시설, 양성자가속기 및 초고속레이저 시설을 활용하여 스핀 동역학, 준입자 거동, 극한 시료환경 구조/물성 측정 등 양자소재 물성 연구 특화 양자빔이용 시스템 구축
실험 | 측정값 | 정보 |
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STM/STS 주사터널현미경/분광기 | 준입자간섭 측정 (QPI: quasiparticle interference) |
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각분해광전자분광실험 (ARPES) | 전자 페르미면 측정 |
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dHvA 양자진동 (quantum oscillation) |
전자 페르미면 측정 |
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안드레예프 반사 분광실험 (Andreev reflection spectroscopy) |
차동전도도 측정 (differential conductance) |
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뮤온 스핀 분광 실험 (muon spin spectroscopy) |
자기신호 측정 |
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핵자기공명 실험 (NMR: nuclear magnetic resonance) |
나이트 이동(Knight shift)의 온도의존성 측정 |
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전송실험 | 저항, 비열 측정 (Sommerfeld 계수) 비정상홀효과 (AHE) |
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비탄성 중성자 산란 | 들뜸 상태 분광정보 |
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2형 초전도체의 상부임계자기장 (Bc2) | 상부임계자기장 크기 및 이방성 |
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연구시설장비명 | 사양 | 주요 용도 | |
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1 | 양자자성 측정 시스템 | 1.4K, 14Tesla | 다중극한환경 양자 자성 정밀측정 시스템 |
2 | 저차원 양자소재 합성시스템 | 에피탁시박막증착장비(MBE), 고순도박막성장장치 (MW-PECVD) | 3D 단결정시료에서 관측된 양자현상을 제어하여 소자화하기 위한 저차원박막소재 성장기술 확보 |
3 | 초고압신소재합성장비 | 100GPa, 1000℃ | 초고압/고온에서 신소재합성장비 |
4 | 라우에 엑스레이 장비 | 상온, 2D 검출기 | 단결정 품질 평가 장치 |
5 | 양자빔 융합 측정장비 | 4K, 1500도 | ARPES+MBE+양자빔을 결합한 양자물질합성-in-situ 측정 시스템 구축 계획 |
6 | 다중극한환경 양자빔시스템 | 고자기장(20 Tesla 이상) & 극저온(mK) | 다중극한환경(극저온/고자기장/고압) 중성자산란측정환경 구축(<20T 초전도자석, He3 냉동기 등) |
기술분류 | 기술/장비 |
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합성 | 고출력 레이저 활용 고순도/거대위상/초전도 단결정 소재합성기술(레이저부유용융로) |
층상 소재 개발을 위한 분자빔 증착장치(MBE: molecular beam epitaxy) | |
초고압 소재 합성 기술 (~100 GPa) | |
고온증착 성장법 | |
국내에서 한국원자력연구원만 수행 가능한 우라늄 화합물 합성 기술 및 양자물성측정 특화 기술 | |
측정 | PPMS(Physical Properties Measurement System) 활용 기초물성 측정 기술 |
자성 및 준입자의 분광학적 분석에 최적화된 하나로의 냉중성자삼축분광장치(Cold-TAS(triple axes spectroscopy)) 활용 스핀-삼중항 초전도체의 강자성 자기요동/스핀파 및 마요라나 준입자의 여기상태 및 동역학 등 자기분광특성 분석 기술 | |
극저온/고자기장 중성자 산란 측정 시스템 및 편극 중성자 이용 기술 | |
자기소각중성자산란장치(Magnetic SANS(small axis neutron spectroscopy)) | |
초전도 대칭성 및 마요라나 준입자 동역학 거동 측정 시간/각도 분해 광전자분광기술 | |
양자물성 제어 및 양자특이점 주변의 물성 연구를 위한 극한환경 중성자 기술 | |
초고속 시분해 측정 및 분석 기술을 활용한 준입자 동역학 측정 및 분석 기술 | |
제어 | 방사선 조사 기술을 활용한 다이아몬드 점결함 제어를 통한 고순도 양자소재 개발 및 제어 기술 |
MBE를 활용한 층상조재 및 이종결합소재 적층 제어 기술 | |
다중극한 중성자 산란 실험을 통한 극한환경 물성 제어 기술 |
우라늄을 비롯한 악티나이드 화합물은 규제물질로 인허가를 득한 제한된 환경에서만 합성 및 측정을 해야 하는 등 연구 접근성에서 큰 제약이 따르며, 원자력(연) 등 제한된 정부출연연구소에서만 연구개발이 가능
UTe2의 박막화 연구를 진행하여 소자화 기반기술 확보
원자력(연) 양자빔 연구 시설을 중심으로 한 전주기 양자신소재 개발 플랫폼 구축을 통해 양자소재 공급 국가 허브 구축 추진
출연연 중심의 산-학-연 협동 컨소시엄 구축을 통한 국가 양자소재 연구 개발 경쟁력 제고
① (신소재디자인) 첨단 계산과학을 활용한 양자물성 예측/설계 기술로서, 자성, 쿨롱 상호작용, 상대론적 효과 등의 다양한 물리적 변수의 상호작용에 의한 복잡한 현상 예측과 소재디자인 방향 수립을 위한 계산과학 활용
②(양자소재 합성) 레이저부유용융로를 활용한 고순도 벌크소재 합성기술 및 분자빔에피탁시 기술 (molecular beam epitaxy)을 활용한 적층기술 활용
③(양자물성 분석) 방향성 있는 소재합성을 위해 계산과학을 통한 물성분석 결과 및 다양한 물성 측정 실험을 활용한 다각도의 소재물성 측정결과의 상호 피드백을 통해 기저원리를 규명하고, 물성을 최적화하는 방향으로 소재 설계
④(양자빔 측정) 극저온, 초고압, 고자기장 등 다중극한 시료환경에서 양자소재의 물성과 반응을 측정하기 위한 양자빔 전략 이용 기술 개발
⑤(양자물성 제어) 박막 및 층상소재에서의 새로운 양자물성 발현을 위해 고압합성 및 층상 소재의 적층제어, 변형(strain)제어, 이종접합 기술 활용
우라늄화합물 양자현상 연구 | 위상큐비트용 우라늄 화합물 합성 기술 확보 및 양자빔 활용 양자물성 연구: 원자력(연)만이 수행 가능한 규제물질 우라늄 화합물의 양자빔 활용 기초 물성 연구 |
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양자빔 활용 초고압 양자 신소재 합성 | 고압에서의 물성 변화 및 제어를 통한 양자소재 개발 |
양자빔 융함 양자상태 측정 최상위 기술 개발 | 양자빔+ARPES+MBE 융합 실시간 양자상태 측정 기술 확보 |
양자암호 동위원소 응용기술 개발 | 동위원소 양자암호 소자 개발 및 시스템 개발-베타 난수 발생칩 고도화 |
양자결함 제어 양자빔 조사기술 | 고순도 다이아몬드 질소 불순물(diamond NV center) 제어 기술 - 형광/분광 특성 측정 기술 |