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원자력 e-뉴스레터

2024. 01

VOL. 48

원자력 e-뉴스레터는 과학기술정보통신부가
원자력의 연구 개발과 올바른 이용을 알리기 위해 매월 발간하는 종합 소식지입니다.

원자력 리포트

핵심 양자 신소재 개발 플랫폼 구축

한국원자력연구원 첨단양자소재연구실

양자정보기술 시대 도래 및 정책 동향

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

(‘무어 법칙’의 한계) 모바일 인터넷, 빅데이터, 로봇 및 자동화 등의 발달로 초연결성, 초지능화의 특성을 가진 4차 산업혁명이 가속화됨에 따라 막대한 정보처리 기술이 필요
(양자정보기술 시대 도래) 양자정보기술은 양자상태 고유의 특성(중첩, 간섭, 얽힘 등)을 활용하여 ‘무어 법칙’의 한계를 극복할 수 있는 혁신기술*로써 에너지, 교통·물류, 항공·우주, 신약 개발, 금융 등 다양한 미래 산업 및 안보의 게임체인저가 될 전망

양자정보기술의 한 축을 차지하는 양자컴퓨터는 동시다발적 정보처리로 실리콘 기반 컴퓨터 대비 월등한 연산 성능(N→2N)을 보유

(양자정보기술 분야) 양자정보기술은 양자컴퓨팅, 양자통신, 양자센싱 분야로 구분되며, 각 분야별 양자특성, 기술목표, 역할 및 확용은 [표1]과 같음
분야 적용 양자 특성 기술 목표 역할 및 활용
양자컴퓨팅 중첩·얽힘을 이용한
정보의 동시처리
초고속 연산
(꿈의 컴퓨터)
  • AI·빅데이터 등에 초고속 병렬연산 수행
    ※ 현대암호체계 해독, 양자기계학습
양자통신 정보가 쉽게 붕괴·손상 높은 보안 능력
(차세대 방패)
  • 기하급수적으로 늘어나는 기기 간 안전한 데이터 전송
    ※ 통신인프라 보안, 금융보안(보안카드·ATM 등)
양자센싱 높은 민감성 초정밀 계측
  • 고성능 센서가 필요한 분야 정밀한 데이터 측정 수행
    ※ 차세대 의료영상기기, GPS 등

[표1] 양자정보기술 분야별 분류


(해외 정책동향) 양자정보기술은 보안성 강화(양자암호통신)와 암호체계 무력화(양자컴퓨팅)라는 양면성을 가져 전략 기술화되었으며, 각국은 양자정보기술을 기술패권의 핵심기술로 선정

(미국) 세계 최초의 양자법 제정과 종합적 지원정책 마련을 위한 위원회 격상 등을 추진하는 가운데 국가 간 양자 기술통제와 기술블록화를 주도

(일본) 양자컴퓨팅과 관련된 기초과학 위주의 개별 프로그램 투자 중심에서 국가차원의 전략을 마련하고 미국 중심의 기술 블록화에 적극 동참

(EU) 양자플래그쉽 프로젝트 추진 및 EU 차원의 개발 로드맵 제시와 함께, 각 국별 특색에 맞는 개별 정책을 발표하여 경쟁적으로 연구역량을 고도화

(중국) 최고 지도층의 관심으로 범국가적 차원의 양자분야 투자 확대

(국내 정책 동향) 정부는 “국가전략기술 육성으로 미래성장과 기술주권 확보”를 미래상으로 양자를 포함한 12대 국가전략기술*과 50대 세부 중점기술을 제시(’22.10.28)

반도체·디스플레이, 이차전지, 첨단 이동수단, 차세대 원자력, 첨단바이오, 우주항공·해양, 수소, 사이버보안, 인공지능, 차세대 통신, 첨단로봇·제조, 양자

양자 컴퓨터 개발 동향

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

(양자컴퓨터) 기존의 컴퓨터가 전류의 on/off인 비트(bit)를 연산단위로 순차적 계산을 수행하는 반면, 양자컴퓨터는 큐비트(qubit: quantum bit)*라고 불리는 두 개의 양자상태의 중첩 및 얽힘 상태를 연산 단위로 하여 여러 정보에 대한 연산을 동시에 수행
(양자컴퓨터 개발 동향) 양자컴퓨터의 연산단위인 큐비트 종류에 따라 여러 종류의 양자컴퓨터가 제안되어 왔음[표2]
방식 장점 단점 해외수준 국내수준
초전도체 빠른 게이트 속도,
반도체기술 활용
초저온 유지,
짧은 양자상태 유지시간
  • IBM, 구글 등 선도 기업들이 시스템화 하여 최대 127 큐비트 급의 양자 컴퓨팅 클라우드 서비스를 제공
  • 중국은 60큐비트 양자컴퓨터 시연
  • 8큐비트 초전도 칩 제작 작동 시연
  • 20큐비트 수준의 설계 및 제작 공정 가능
이온트랩 소자 안전성,
높은 신뢰도
느린 게이트 속도,
복잡한 레이저 장치
  • IonQ 에서 11큐비트 시스템의 클라우드 서비스 제공 및 32큐비트 시스템 개발
  • 100개 이상 큐비트의 24시간 이상 포획 유지
  • 이스라엘은 5 큐비트 개발
  • 연구 초기단계로 20개 큐비트를 동시 생성하나 큐비트간 얽힘 미구현
  • 20개의 큐비트를 10분 정도 유지
반도체 양자점 소자의 안전성,
반도체기술 활용
얽힘 구현 난이도 높음,
초저온 유지
  • 실리콘(Si) 2 큐비트 개발
  • 게르마늄(Ge) 4 큐비트 생성
  • 실리콘(Si) 1큐비트, GaAs 3큐비트 생성
위상큐비트 오류 미발생 구현가능성 미입증
  • 마이크로소프트사는 연구실 수준의 가능성 시연
  • 대학 실험실 연구
고체결함 상온 작동 얽힘 구현 난이도 높음
  • 10큐비트 수준 시연, 7큐비트 얽힘
  • 양자인터페이스 이용 3큐비트 원격 얽힘 시연
  • KIST 2큐비트 개발
  • 3~4 큐비트 수준 시연
광자기반 제어와 전송 용이 대규모 얽힘 생성 어려움
  • 4~6개 광자를 집적광학계에서 실험
  • 1~2개 광자 구현

[표2] 양자컴퓨터기술 장·단점 및 국내·외 기술수준 비교

(범용 양자컴퓨터 개발의 한계 및 난제) 현재의 양자컴퓨터는 양자오류보정기술을 활용하여 오류를 제한된 용도에 적합한 수준으로 최소화하는 NISQ 단계임*

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

[그림2] 양자 컴퓨터와 고전 컴퓨터의 차이점 및 범용 양자컴퓨터 구현의 어려움

(기존 양자컴퓨터 vs. 위상양자컴퓨터) 기존의 양자컴퓨터가 외부환경으로부터의 차단과 양자오류 보정기술을 통해 결어긋남 문제를 해결하는데 반해 위상양자컴퓨터는 수학적으로 외부환경과 상호작용하지 않는 위상큐비트(topological qubit)*를 활용한 완전히 새로운 방식을 취함.

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

[그림3] 위상큐비트의 특성과 땋기 연산

(위상양자컴퓨터 연구동향 및 난제) 위상양자컴퓨터에 이론 연구는 땋기소자 디자인, 온도에 의한 작은 양자오류의 보정, 양자알고리듬 구현 등 많은 연구가 진행되고 있지만 위상양자컴퓨터를 실증하기 위한 연산단위인 위상큐비트가 실증되지 않았다는 큰 장벽이 존재*

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
원료소재 표면/계면
초전도체
  • 초전도 조셉슨 터널 소자 비선형 공진회로 에너지 양자모드
  • 기판유전손
  • 불순물
    decoherence
  • 유전체, 산화박의 두 전위계 섭동 및 표면의 불순물
  • 표면 및 계면의 유전 손실을 극복할 수 있는 공정기술 필요
  • AI을 대체 새로운 금속 소재
  • 양자모드 정및 측정기술
이온트랩
  • 이온화된 원자의 에너지 준위
  • 직접적 영향 없음
  • 소재 표면 이물질의 전하 요동으로 인해 잡음이 나타나며, 소재 종류에 따라 차이 발생
  • 트랩 전기장의 노이즈에 의한 이온 발열을 현저히 감소시킬수 있는 새로운 표면 처리 공정
  • 광학적 양자상태 측정기 집적화 기술 필요
반도체양자점
  • 에너지 우물에 국소화된 입자(전자, 홀)의 스핀 준위
  • 핵스핀-전가스핀의 초미세 상호작용에 의한 에너지 준위 교란
  • 게이트 절연체 계면의 전하 트랩자성 불순물
  • 계면에 의한 에너지준위의 불균질
  • 계면 양자 상태 측정 기술
  • 동위원소 정체를 통한 순수 28Si 재료 개발(핵스핀 밀도가 낮은 고이동도)
고체 점결함
  • 불순물 원자 오비탈/스핀 준위
  • 상자성 불순물 및 핵스핀 영향 제어
  • 표면활성도 문제
  • 전하트랩
  • 표면 처리기술 및 극한 분해능 점결함 형성기술 개발
  • 양자준위 정밀 측정기술
  • 초고순도 다이몬드 기판 필요
    (다이아몬드 1.1%의 13C 원소 핵스핀이 자기장 요동발생)
위상 큐비트
  • 마요라나 zero 모드
  • 위상특성에 의해 혁신적 양자잡음 제거 가능
  • 큐비트 구현 실패
  • 나노구조 결함 밀도
  • 소자화 적합 원천소재 부재
  • 반도체/초전도 계면의 에너지 준위 차이 극복
  • 안정적인 비가환 준입자의 에너지 모드 형성 신소재
  • 위상에너지밴드 실시간 측정 기술
  • 마요라나 준입자 형성 메커니즘 분석 기술

[표3] 양자컴퓨터 구현을 위한 큐비트의 종류와 특성

양자 신소재 개발에서 한국원자력연구원의 역할

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

(방사선 활용 측정기술을 통한 국내외 위상큐비트 연구 현황) 국제적으로 지난 20여 년 동안 스핀-삼중항 위상초전도 소재 구현 및 실증을 위한 연구가 진행되고 있지만 아직 결정적인 실험 결과는 부재
실험 측정값 정보
STM/STS 주사터널현미경/분광기 준입자간섭 측정 (QPI: quasiparticle interference)
  • 초전도 갭 대칭성
  • 제로 바이어스(zero bias) 전도 특성: 마요라나제로모드의 존재
각분해광전자분광실험 (ARPES) 전자 페르미면 측정
  • 초전도 갭 대칭성 (surface sensitive)
dHvA 양자진동
(quantum oscillation)
전자 페르미면 측정
  • 초전도 갭 대칭성 (bulk sensitive)
안드레예프 반사 분광실험
(Andreev reflection spectroscopy)
차동전도도 측정
(differential conductance)
  • 삼중항 초전도체의 스핀쌍 정보
  • 이상 안드레예프속박상태(Andreev bound state): 마요라나제로모드의 존재
뮤온 스핀 분광 실험
(muon spin spectroscopy)
자기신호 측정
  • 삼중항 초전도의 질서변수(order parameter)와 관련된 시간역전대칭성 붕괴에 따른 자기상태
핵자기공명 실험
(NMR: nuclear magnetic resonance)
나이트 이동(Knight shift)의 온도의존성 측정
  • Tc 이하에서 Knight shift의 온도 의존성 없음
    - 삼중항 초전도체의 스핀쌍 정보
전송실험 저항, 비열 측정 (Sommerfeld 계수) 비정상홀효과 (AHE)
  • Tc 이하의 큰 잔류저항(residual resistivity)
    - 정상(normal) 전자밀도: 초전도 갭 대칭성 정보
  • 스핀분극전류(spin polarized current)
비탄성 중성자 산란 들뜸 상태 분광정보
  • 마요라나제로모드 존재
2형 초전도체의 상부임계자기장 (Bc2) 상부임계자기장 크기 및 이방성
  • 삼중항 초전도의 스핀쌍 정보

[표4] 삼중항 초전도체 및 마요라나제로모드 검증을 위한 복합적 실험들

(국내 양자 신소재 개발 현황) 현재까지 국내 양자컴퓨터용 소재를 비롯한 양자신소재 연구는 산발적 으로 수행되고 있으며, 특히 양자큐비트 소재 합성 기초연구는 극히 제한적
(원자력(연) 양자 신소재 개발 현황) 원자력(연) 중성자과학부 첨단양자소재연구실에서는 2020년 이후 양자 소재개발 연구를 수행하여 반데르발스 층상소재, 양자스핀액상 소재 등 30여 건의 소재 합성 및 27편의 SCI 논문 게재
(원자력 활용 양자 신소재 개발 필요성) 원자력(연)이 보유한 방사선 거대연구시설인 하나로의 중성자 산란 장치 및 초고속레이저 장치, 양성자가속기를 활용한 실험장비는 스핀 동역학, 준입자 거동, 극한 시료환경 물성 측정 등 양자소재 연구에 특화
연구시설장비명 사양 주요 용도
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)

[표5] 원자력(연)의 양자물성 측정/분석 기술 현황 및 용도

기술분류 기술/장비
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

[표6] 원자력(연) 보유 양자물성 연구 기술/장비

(우라늄 화합물 연구의 규제와 원자력(연)의 역할) 국내 유일의 우라늄화합물 취급 및 제조 인허가를 받은 원자력(연)*이 보유한 우라늄소재 연구 역량**을 바탕으로 UTe₂를 비롯한 우라늄 초전도 소재 합성 기술을 개발하고, 안정성이 확보된 소재개발 및 물성 측정 환경 조성 필요

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

전주기 양자신소재 개발 플랫폼 구축 제언

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

(양자신소재 개발 원동력을 위한 전주기 플랫폼 구축) 양자빔 조사/분석기술을 활용한 설계-합성-측정-분석-제어를 아우르는 전주기 양자소재개발 플랫폼 구축을 통해 기술선도 전략 구체화

[그림5] 전주기 양자소재 개발 플랫폼 기술

(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

(양자소재 합성) 레이저부유용융로를 활용한 고순도 벌크소재 합성기술 및 분자빔에피탁시 기술 (molecular beam epitaxy)을 활용한 적층기술 활용

(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

(양자빔 측정) 극저온, 초고압, 고자기장 등 다중극한 시료환경에서 양자소재의 물성과 반응을 측정하기 위한 양자빔 전략 이용 기술 개발

(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
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

[표7] 원자력(연)의 양자소재 개발을 위한 연구 계획

(양자정보통신 기술 구현을 위한 핵심양자소재 공급허브 구축 추진) 산발적이고 단발적인 양자소재 개발에서 벗어나 양자 현상 관측/분석/발현에 절대 비교 우위 기술인 극한환경-양자빔 전략이용 기술에 기반한 설계-합성-측정-분석-제어의 전주기 소재개발 플랫폼 구축을 통해 미래 양자 정보통신기술 구현에 필요한 핵심양자소재를 공급하는 양자소재 공급 허브 구축 추진 목표
결론 및 제언
오류를 최소화하는 양자컴퓨터인 위상양자컴퓨터 실용화의 기초가 되는 큐비트 소재개발을 통해 미래 시장에 선제적으로 대비할 필요가 있음
양자시대로 일컬어지는 미래 사회를 준비하기 위해, 양자 기술의 기반이 되는 양자소재 개발에 원자력(연)이 보유한 하나로의 중성자시설을 포함한 방사선기술을 적극 활용한 국가주도의 허브 구축 필요
하나로 중성자 시설을 중심으로 전주기 양자소재 개발 플랫폼을 구축하고 장비들을 양자소재 연구에 특화하여 양자소재 개발 및 소자 개발 촉진