양자물질과 초전도체의 응용

안녕하세요. 하버드대학 물리학과의 김필리입니다. 오늘 이렇게 온라인 강의를 할 수 있게 되어서 정말 기쁩니다. 오늘 제가 강의를 할 내용은 양자물질의 농구인 혐한과 교회 과제라는 대목으로 강의를 하겠습니다. 양자물질에 관해서 이야기하기 위해서는 먼저 양자과학 또는 양자기술 이런 이야기를 해야 될 것 같은데요. 오늘 강의는 비교적 쉽게 하기 위해서 되도록 전문적인 아주 구체적인 이야기보다는 넓고 폭넓은 그런 이야기를 해보고자 합니다. 먼저 양자과학에 대해서 사람들이 어렵다고 생각하는데 사실은 양자과학이 생긴 지 100년이 넘어가고 그런 과정에서는 많은 경우에는 그냥 다른 과학의 분야처럼 열심히 공부하면 많은 부분 이해할 수 있는 그런 부분이 될 수 있다고 생각합니다.

양자과학의 이야기를 하기 전에 양자기술을 이야기 해보고 싶어요. 사실은 지난 10년, 20년 사이에 많은 경우에 사람들이 양자기술, 양자컴퓨팅 이런 이야기들을 여러분들도 많이 들어보셨을 것 같아요. 실제로 양자기술이라고 이야기했을 때는 몇 가지 다른 종류의 기술들이 있는데요. 한 가지씩 해보면 양자센스이라든가 양자통신, 양자컴퓨팅, 양자계산 이렇게까지 여러 가지 다양한 기술들을 이야기하고 있습니다. 모든 기술들이 사실은 양자과학을 이용해서 물질이나 원자나 이런 상태를 조작을 할 수 있고 조작을 함으로써 그런 것들에서부터 기술적인 응용을 할 수 있다는 공통성을 가지고 있고요. 아까의 경우에

많은 종류의 그런 연구들이 지금 진행되고 있고 일정 부분은 상용화에 비교적 가까이 가지 않았을까 그런 생각들도 하고 있습니다. 아마 양자 기술 중에는 세상을 혁명적으로 바꿀 수 있는 그런 것들도 있지 않을까 그런 기대를 하고 있죠. 그 양자 기술들이 이루어지기 위해서는 하지만 양자 기술을 실현할 수 있는 그런 플랫폼들이 필요합니다. 그런 플랫폼들이 양자 센싱 같은 경우에는 사실 다이몬드 안에 있는 칼라 센서라는 딥사피를 만들어져야 하는 것들도 있고요. 양자 컴퓨터 같은 경우에는 이따가 이야기를 하겠지만 다양한 종류의 그런 물질들 또는 원자들 기반으로 해가지고 양자 기술들을 양자 기술을 실행하고자 하는 그런 것들을 하고 있습니다. 어떤 면에서는 이런 기반이 되는 그런 것들은 양자 물질들이 들어올 수 있고 양자 물질들이 기반이 됐을 때 양자 기술들이 그것을 발판으로 진행될 수 있다고 생각할 수 있습니다.

양자 기술을 또는 양자과학, 양자 기술을 연구하는 분들은 요아치 응용 쪽에 공개되는 경우, 예를 들은 한 경우도 있지만 또는 좀 더 기반적인 양자물질이나 양자물질에 의해서는 여러 여러 현상들을 공부하는 그런 과학자들도 있습니다. 저도 이제 다른 양자물질을 연구하는 그런 부분 중에 하나고요. 양자과학, 양자 기술, 그다음에 이런 것들을 이야기해서는 물론 양자 물리라는 게 무엇인가 하는 걸 이야기해야 할 텐데요. 그런 양자 물리를 이야기하기 위해서는 사실은 물리학과에 여러분들이 가게 되면은 물리학과학을 공부하게 되면은 대충 한 두 학기 정도에 대해서 기본적인 양자 물리를 배우게 되고요. 그 이외도 더 심화되는 그런 공부를 해볼 수가 있습니다.

흔히 양자 문제는 매우 어렵다고 알려주고 있지만 사실은 생긴 지 100년도 넘어가는 한국이니까 많은 이해들을 할 수 있다고 생각합니다. 양자 물리학이 처음 발전이 된 것은 막스 플랑크가 1902년에 양자화라는 개념을 만들면서 시작을 했는데요. 그 이후에 니스보어나 슈레딩, 하이젠벌, 파울리, 페르미 이런 여러가지 과학사들이 20년 30년에 걸쳐서 20세기 초엽에 기반을 통과했습니다.

처음에 영자의 역학이 만들었을 때는 굉장히 혁명적인 그런 생각이 들었는데요. 오늘날에도 굉장히 혁명적이고 어떤 면에서 그렇기 때문에 이해하기 어렵다고 얘기하는 부분들이 있는데 이를테면 입자와 파동이 동일한 그런 측면들이 있다. 그 다음에 모든 물체의 기술은 파동함수라는 걸 이용해서 하게 된다. 파동함수는 가지는 의미는 확률적으로 해석될 수밖에 없다. 그러던가 그로부터 어떤 물체의 상태를 두 가지에 공개되는

물리학을 그런 것이 관련이 되어 있을 때는 정확히 측정할 수 없다는 불확정성의 원리까지. 보통은 우리가 오전역학에서 배웠던 상식과는 다른 그런 이해를 요구하기 때문에 처음에 이런 양자역학을 접했을 때는 이게 굉장히 다르고 어렵다 생각이 들게 되는데요. 사실은 우리 같은 사람이나 우리가 흔히 접할 수 있는 그런 부분들은 되게 거시개라고 해가지고 많은 종류의 원자로 이루어져 있잖아요. 원자나 분자로 이루어져 있는 거시개가 되면 양자역학의 법칙들이 굉장히 이렇게

에서 세세한 역할들을 보기 어렵습니다. 그래서 저희가 익숙하지 않기 때문에 어렵다고 느끼는 것입니다. 원자나 분자같이 작은 대상으로 날아가게 된다면 양자과학들이 굉장히 효과적으로 일어나게 되고 그런 현상들을 우리가 기술하기 위해서는 양자과학적인 기술이 아니면 할 수 없는 그런 상황이 되면서 그런 것들이 좀 더 익숙해지면 사실은 양자과학이 어려움이 어려움이 되었습니다. 양자과학을 통해서 많은 것들을 설명할 수 있는데 그중에 하나가 양자 물질 뿐입니다. 일반적으로 물질에 대한 설명을 할 수 있다는 것입니다.

이게 다 들어서 아는 바와 같이 모든 물질들은 원자, 분자를 이루고 원자, 원자를 이루고 다시는 바원자의 입자들, 전자나 원자의 양성자, 중성자 이런 것도 이루어졌다는 것들은 한 번씩 들어보신 바가 있을 것 같아요. 이와 같이 작은 물질들, 보통 나노미터보다도 더 작은 물질들이네요. 그러니까 10억분의 1미터보다도 더 작은 그런 물질들을 닿을 때는 양적학이 굉장히 중요하게 되고 따라서 물질의 성질들을, 물질들이 이루고 있는 원자들의 통합으로 이루어지는 이런 물질들의 성질을 이해하기 위해서는 양적학적인 이해가 굉장히 필수 부근의 각기라는 걸 알 수 있겠죠.

그중에서도 요한지 많은 입자들이 모여져 있는 그런 대상들을 양자역학을 기술하기 위해서는 다체계 양자역학이라는 좀 더 복잡하고 고급 양자역학이 필요하게 됩니다. 이 부분들은 아직도 흥분적으로 계속 개발되고 있는 부분들이고요. 새로운 발견들이 늘 이루어지고 있는 물리학 결과 최전성입니다. 이런 다체계 양자역학을 보게 되면 보통 우리가 흔히 접하기 어려운 실제로는 이렇게 큰 물질에서 아까 거시계에서는 양자역상들이 잘 안 일어나는 것처럼 보인다고 왜냐하면 양자역상들이 전부 다 에버리지해가지고

총압이 돼가지고 보통 양자역학적인 현상이 일어난 것들 중에서는 이게 심지어는 이렇게 큰 물질에, 거시계 물질에 있어서도 우리가 만져볼 수 있고 바라볼 수 있고 이런 큰 대상의 물질에서도 양자역학적인 현상들이 나타난 경우도 있습니다. 그와 대해서 좀 이야기를 해보도록 하죠. 그 가장 대표적인 예중의 하나가 초존도 현상입니다. 초존도 현상은 지금부터 한 110몇 년 전에 여기 있는 네덜란드에 있던 하이케 오네스 교수님과 그 다음에 플림이라는 조수가

물질이 어떤 금속도를 굉장히 저온으로 내렸을 때 여기서 저온은 영하 270도 정도로 내리게 되면 영하 270도로 굉장히 낮은 온도죠. 이런 것들을 하기 위해서는 액체 힐리움을 만들어가지고 여러 가지 금속도의 온도를 내릴 수가 있었는데요. 특히 그중에 어떤 금속들, 이를테면 수온이나 나비나 티나 이런 물질들은 금속들은 온도를 그렇게 많이 내리게 되면 점점점점 저항이 떨어지다가 어느 순간에 저항이 갑자기 뚝 떨어져서 전기저항이 0으로 되는 이런 것들을 발견한 바가 있습니다. 그와치 전기저항이 0으로 되는 현상들은 굉장히 드문 현상인데요. 물론 이렇게 저온에서 나타나게 되니까 흔히 볼 수는 없지만 전기저항이 0이 되면 일단 그런 물질들로 초호전도체라는 물질들로 만든 전선에는 전류를 흘렸을 때 전력의 손실이 전혀 없게 되죠. 그러니까 그런 현상들이 굉장히 좋은 송전선을 만들 수 있다든가

이런 전력을 올렸을 때 전력 손실이 없는 그런 도선을 이용해 가지고는 그 도선을 감아서 자석을 만들면 굉장히 강력한 자석을 만들 수가 있습니다. 이런 초호전도 체력이 있는 응용은 뭐 이쯤에 있어서는 예를 들면 저희가 병원에 왔을 때 MRI 같은 것도 촬영하잖아요. 뭐 이런 것도 촬영할 때 그런 MRI의 MRI가 유클리어 레전스 이미징을 하는 그런 장비에서는 초호전도 자석이 있어서 아주 강한 자장을 공급해서 머릿속에 있는 몸속에 있는 그런 여러 가지 영상들을 해석할 때 도움을 주는 굉장히 중요한 역할로도 쓰이고요. 자기 부작렬을 체력과 여러 가지 응용에 응용될 수 있는 굉장히 많은 종류의 응용을 가질 수 있는 그런 물질입니다. 이 물질이 가능하게 된 것은 말씀드린 것처럼 이 다치기 물약, 다치기 약자각을 이해함으로써 되는 건데요. 아주 재밌게도 어떤 물질들을 그러니까 이런 수은이나 압이나 이런 물질을 전원으로 내렸을 때 전자 하나가 지나갈 때 그 주변에 있는

격자들이 전자지근을 모이면서 다른 전자가 그 외에 끌릴 수 있게 되는 것들을 양자격적으로 기술함으로써 전자가 쌍을 이뤄가지고 이렇게 초전도연산을 만드는 것들을 물리학자들이 오시면서 밝힌 것 같습니다. 말씀드린 것처럼 이런 것들이 굉장히 독특한 현상인데 한가지 단점은 이런 것들을 응용하기 위해서는 초전도연산을 응용하기 위해서는 굉장히 극저온으로 내려가야 된다는 이런 단점들이 있죠. 그래서 양자 물질을 연구하는 물리학자들이 지난 100여 년 동안 어떻게 하면 이런 초전도체에 초전도연산이 일어나는 그런 온도를 높일 수 있을까에 대해서 많은 연구를 했고요. 그런 진전들이 조금씩 있었습니다. 처음에는 절대 온도가 170도 정도 되는 데서 초전도연산이 일어났던 것들이 한 50~60년 지나면서 절대 온도가 30도 정도에 일어나는 그런 물질을 발견하고 개발함으로써 초전도가 조금은 더 응용이 쉬워질 수 있었는데요. 갑자기 1980년에 제가 대학생 시절이었는데 그때 이제 여기 계시는 배드노루스와 뮬러라는 독일의 과학자들이 어떤 물질에서 보통 초전도연산이 아닐 거라고 생각했는데 어떤 물질에서 초전도연산이 상당히 높은 온도에서 일어나게 되고 그래서 이런 물질들을 계속 개발하면서 이런 온도들이 점점점 올라와가지고 오늘날은 아마도 이런 수온 바른카파옥사일이라는 초전도연산이 절대로 150도, 처음에 일어났던 것과 비교하면 열 몇 배 정도 일어나는 그런 것들을 보유하고 있죠. 그래서 아마도 이런 것들의 온도를 점점점점해서 바른 물질들을 계속 발견해서 상온에서 초전도연산이 일어나는 물질을 발견하게 된다면 아마 우리가 알고 있는 많은 종류의 운용에 혁명적인 변화를 가질 수 있지 않을까 하는 생각을 하고 있습니다. 그래서 많은 분들이 오늘 또 이런 물질들을 찾기 위한 노력을 하고 있죠.

이런 초정도체 같은 경우는 양자 물질의 대표적인 얘기는 한데요. 지금 말씀드린 것처럼 초정도 물질들의 온도가 높아지면서 여러 가지 응용을 생각해볼 수 있는 반면들이 있는 것들도 있지만 또한 이런 초정도 현상제책에 의해서 그것이 저온이라고 하더라도 다른 종류의 기술적인 응용들을 가져올 수 있습니다. 그중에 하나가 양자계산인데요. 양자컴퓨팅인데요. 그것을 설명하기 위해서는 양자의 파악을 조금 먼저 우리가 깊이 들여 볼 필요가 있어요. 한 가지 가장 양자의 깊은 예를 여러분들하고 나누고자 합니다.

아마 이 이야기는 많이 들어보셨을 거에요. 슈레딩거의 고양이라는 것들을 물리학자들이 가끔 얘기를 하는데요. 슈레딩거의 고양이가 뭐냐. 아까 슈레딩거, 오윈 슈레딩거가 슈레딩거 방정식으로 만든 양자역학의 상시자 중 한 분이었잖아요. 그런데 양자역학에서는 확률적인 해석을 해야 된다. 그런 말씀을 드렸습니다. 그 얘기는 뭐냐면 상태가 두 가지 상태가 있는데 그 두 가지 상태가 어떤 상태가 물질의 상태를 기술하느냐를 우리가 이게 상태가 하나 있고 다른 하나가 있고가 확률적으로 기술될 수 있다는 그런 얘기거든요. 무슨 얘기냐. 좀 헷갈리실 수 있는데 말하면 지금 이런거에요. 고양이가 있을 때 고양이의 상태로 우리가 살아있는 고양이 죽어있는 고양이 이걸 우리가 나눠서 얘기해보죠. 그러면 우리가 흔히 알고 있는 고양이는 사실 우리가 만들 수도 있고 볼 수도 있고 거시계에 있는 그런

그러니까 사실은 그 상태가 살아있고 죽어있고가 확률적으로 중첩돼 있는 살아있기도 하고 죽어있기도 하고 이런 것들은 우리가 상식적으로 생각해보기 어렵죠. 왜냐하면 우리가 알고 있는 상식이라는 것은 거시계에서 되어있는 거고 아까 말씀드린 것처럼 거시계는 양자적인 상태가 주명을 맞춰서 있기가 힘들고 양도를 위해 에버리지해서 그냥 하나로 정해져서 나타낸 것도 많거든요. 그런데 만약에 우리가 어떻게 해서든지 고양이의 양자적인 상태를 거시계임에도 불구하고 유지한다면 사실은 고양이가 살아있는 고양이와 죽어있는 고양이의 두 상태가 중첩돼 있는 상태를 만들어 볼 수 있지 않을까라고 슈웨딩거가 제안을 했습니다. 역시는 학교는 슈웨딩과 역설에 관계되는 부분인데요. 그 부분에 대해서 자세한 얘기는 조금 생략하도록 하죠. 나중에 물량을 좀 더 공부하시게 되면 이 이야기가 의해지는 조금 더 생각해보실 수 있을 것 같아요.

이와 같이 슈레딩거 고양이가 얘기하는 과정들은 양자적인 중첩 상황을 만들 수 있다는 건데요. 중첩이라는 게 두 개의 상태가 서로 확률적으로 섞여있다는 이야기를 볼 수 있죠. 그런데 이게 하나면 하나의 중첩 상황을 만들 수 있는데 예를 들면 고양이를 두 마리를 놓고 살아있고 죽어있는 고양이의 상태를 두 개를 한 다음에 그 두 개를 섞어서 만들 수가 있잖아요. 그렇게 생각해 볼 수가 있지만 고양이는 사실은 맥크로스코픽 거시기니까 그런 것들이 없지만 원자에 대해서는 사실은 중첩 부과 상태를 잘 만들 수가 있고 그 중첩을 한 것을 하나의 원자를 가지고 안 되는 원자의 두 개의 쌍을 가지고 중첩 상태를 만들 수 있고 그렇게 되게 되면 상당히 재미있는 소위 얘기해서 얽힌 작품을 만들 수 있습니다

그게 뭐냐면 두 개의 원자를 가까운 곳에 놓고 서로의 중첩상태를 만든 다음에 그 중첩상태를 서로 서로 관계되어 있는 중첩상태를 만든 다음에 그거를 우리가 멀리 띄워놓게 되면 중첩상태를 유지하면서 이제 얽힘상태라는 건데요. 이렇게 된 상황에서는 우리가 한쪽에 있는 원자를 재면 다른 쪽에 있는 원자가 다른 쪽에 있는 원자를 우리가 재했다는 것들을 알기 때문에 그 상태를 변화하게 된 거점을 고칠 수가 있습니다. 이런 것들이 양자의 얽힘이라는 것인데요. 양자 중첩과 양자 얽힘이 사실은 양자 기술을 가져오게 되는 가장 핵심적인 개념이 되게 됩니다.

간단히 얘기하면 사실은 1과 0이라는 두 가지 상태가 따로따로 독립된 게 아니라 서로 중첩되어 있고 얽혀있는 상황을 만들 수 있다는 것이 양자 물리의 핵심적인 개념 중입니다. 이것이 왜 중요하냐. 이걸 잘 이용하면 우리가 계산에다 이용할 수가 있어요. 우리가 보통 컴퓨터 이런 걸 통해서 계산을 하잖아요. 그럼 컴퓨터는 우리가 다 아는 바와 같이 보통 디지털의 신호를 처리한다고 얘기하고 있습니다. 디지털이라는 건 뭐냐면 딱딱 띄워져 있다는 거고 1, 0, 1, 0 이런 식으로 서로 띄엄띄엄하게 겹쳐져 있다는 그런 숫자를 가지고 그런 걸 가지고 계산할 수 있다는 거죠. 그래서 컴퓨터에서 우리가 계산하기 위해서는 디지털 컴퓨터에서 계산하기 위해서는 모든 숫자를 다 이와 같이 1과 0으로 만드는 이진수를 만들어 가지고 그것이 컴퓨터 안에서 그런 것들을 계산하게 되어있습니다. 디지털 컴퓨터에서 우리가 얘기하는 상태라는 것은 1인거나 0이거나 그런 상태이고 하나의 상태를 가리키는 부분들을 우리가 빛이라고 그러죠. 원 빛의 클래스칼 빛이라고 얘기하는데 원 빛이 1이거나 0이거나 이런 것들을 가지고 거기에 정보를 넣고 아니면 그런 정보들을 우리가 서로 더하거나 빼거나

이런 과정을 곱하거나 이런 과정을 통해가지고 정보를 우리가 처리할 수 있는 과정입니다. 그래서 컴퓨터라는 건 사실 디지털 컴퓨터는 간단히 얘기하자면 일과 영을 만드는 빛을 가지고 있는 여러가지 스위치를 서로 연결을 해가지고 하나의 스위치가 켜지게 되면 다른 스위치가 어떻게 되고 그다음에 그런 정보들을 우리가 어떤 스위치에다가 저장을 하게 되고 이런 것들을 열기절기 만들어 놓는 과정들이고 이런 것들을 어떻게 하면 우리가 그런 회로들을 연결하고 스위치에 대한 회로를 연결할 수 있냐 그런 것들이 이제 보통 전자공원이나 컴퓨터 사이에서 하는 것들을 아주 단순하게 얘기할 수 있죠.

양자 계산이라는 것은 이것을 우리가 아까 얘기한 양자역학의 중척과 그 다음에 얼킴을 이용해서 시험해볼 수 있을까 이런 것들과 관계된 이야기가 됩니다. 말씀드린 것처럼 양자비, 큐빗은 중척 과정으로 똑같이 일과의 상태가 있지만 이게 딱딱딱딱 떨어진 게 아니라 그 두 개를 우리가 중척을 할 수가 있잖아요. 중척이라는 건 두 개의 경우에 각각의 다른 확률을 가지고 있는 그런 것들을 더한 그런 형태로 가시게 되는 건데요. 그렇게 되면 확률은 우리가 연속적으로 변할 수 있는 거니까 이런 과정을 생각을 해보면 양자비, 보통 우리가 큐빗이라고 그러는데요. 큐빗에는 이런 상태를 연속적으로 이렇게 놓을 수가 있고 연속적으로 이렇게 놓을 수가 있고 더욱더는 양자비 하나를 가지고 가는 게 아니라 양자비 여러 개가 있으면 큐빗 사이에 우리가 중척을 서로 만들게 되면 얼킴 상태를 만들 수가 있게 되죠. 그래서 이러한 여러 가지의 큐빗들이 중척과 얼킴을 우리가 모두 어서 만들면 그런 걸 통해서 정보를 저장하고 계산을 하게 되면 훨씬 더 효율적으로 특히 이런 것들이 한꺼번에 하나씩 하나씩 계산을 하기 아니라 중척되어 있고 확률적으로 중척되어 있는 계산들이기 때문에 한 번의 이런 것들을 할 수 있지 않을까 이런 생각들을 가진 것들이 지난 30년 정도 동안 개발이 된 것 같습니다.

그림으로 설명을 해드리면 이거 같은 거예요. 미로를 착취를 할 때 보통 미로를 찾아내면 여기 이제 미로 중간에 스케이스에서 나가려면 한 사람이 이렇게 돌아다니면서 여러 가지 이길을 두고 저길을 두고 여기가 막혔으면 다른 데로 이렇게 가보고 이런 과정을 통해서 찾아나야 되잖아요. 그런데 이거는 한 사람이 한 번에 한길을 통해서 쭉 나가게 되는 건데 우리가 양자 계산을 한다는 것은 양자 컴퓨팅을 한다는 것은 이것과 중척과 얼킹을 통해 가지고 굉장히 평행적인 계산을 그러니까 패러럴 컴퓨테이션을 할 수 있기 때문에

이런 그 미로를 찾을 때 여러 사람이 곳곳에 있다가 한 번에 다 같이 그것을 여러 가지 경로들을 다 찾은 다음에 종합해가지고 어디가 최단거리가 남았습니다. 단번에 우리가 생각해낼 수 있다는, 계산해낼 수 있다는 그런 과정들이기 때문에 이 양자계산의 효율성이 보통 이런 고전적인 컴퓨터를 가지고 하는 계산보다는 훨씬 더 빠를 수 있다는 그런 생각들도 할 수 있죠. 물론 이것이 아직은 모든 계산이 다 일반적으로 빠르게 된 건 아니라 어떤 특정한 그런 알고리즘에 대해서는 계산을 빨리 할 수 있다는 것들이 이야기가 되고 있고 또한 더 많은 그런 알고리즘을 계속 찾고 있기 때문에 앞으로 그런 양자계산이 클래식의 컴퓨터보다 훨씬 더 용하다는 것들이 좀 밝혀질 거라고 생각하고 있는데 아직은 이제 몇 개산에 대해서만 굉장히 효율적이라는 것 같습니다. 지금 안 봐야죠.

바로 이와 같은 굉장히 효율적인 그런 계산의 가능성 때문에 많은 사람들이 그 양자 컴퓨팅에 대해서 관심을 가지고 그것들을 어떻게 개발할 수 있는가에 대해서 많은 노력들을 하고 있습니다. 그런 양자 계산을 하기 위해서는 아까 말씀드린 것처럼 큐빗을 만들어야 되고 큐빗을 만들기 위해서는 큐빗의 기본이 되는 그런 양자 플랫폼이기 때문에 여러 가지 양자 물질들을 이용해서 큐빗을 만들 수 있는 기술들을 개발하고 있고요. 지난 20년 사이에

많은 연구부룩들이 여러가지 다른 종류의 물질들을 기반으로 하는 양자컴퓨팅의 소재들을 만들고 있습니다. 가장 잘 알려진 것은 아까 말씀드린 초전도체를 이용한 소재를 가지고 양자컴퓨팅을 하려는 부분들이 있고요. 구글이나 IBM 같은 데서 만들어진다고 있죠. 거기 말고도 반도체를 가지고 하려는 부분들이 있고 어떤 경우에는 아까 얘기한 다이몬드에 있는 칼라센터라고 얘기하면 MB센터라는 걸 가져가려고 합니다.

어떤 그룹에서는 아이온큐라고 요즘 주식시작이 상징되어서 상당히 잘난다고 들었는데 한국의 김정상 박사님이 창시자 중에 하나죠 원자에서 전자를 뛰어내니까 아이온을 가지고 그걸 가지고 양자 기산하고 있다는 그런 그룹도 있고 그 다음에 원자를 가지고 했다는 그룹도 있고 그래서 큰 회사 작은 회사 이런 걸 통해 가지고 많은 경우에 이런 큐빗을 만들려고 노력들을 하고 있습니다 그런 노력 중에 대표적인 그룹 중에 하나가 대표적인 주자 중에 하나가 말씀드린 것처럼 초정도체를 이용한 양자 컴퓨팅인데요 초정도체를 이용한 양자 컴퓨팅은 이와 같은 과정을 통해서 합니다 일단 츄레디코 고양이 같은 큐빗을 만들어야 되잖아요 이력에는 어떻게 만들냐면 조전도 체를 가지고 요거치 반지 모양의 링을 만들기입니다.

이 링 같은 경우가 있을 경우에는 여기 링 위에다가 전류를 이렇게 흐를 수가 있잖아요. 이 단지의 한쪽에 시계방향이나 반시계 방향으로 이렇게 전류를 흐를 수가 있는데 한 번 들어 전류가 흐르게 되면은 이것이 초전도체이기 때문에 거기에 전력 손실이 하나 없다고 얘기했죠. 그렇기 때문에 전류가 꾸안히 오랫동안 이렇게 흐를 수가 있게 됩니다. 전류가 이렇게 저항해가지고 손실 때문에 전류가 감소되는 것들이 아니라 한 번 전류를 시계방향이나 반시계 방향으로 놓게 되면은 계속 이렇게 돌아가게 되죠.

시계방향으로 돌아가 있는게 1, 만시계 방향으로 돌아가는데 0, 살아있는 슈레딧고고양이 죽어있는 슈레딧고고양이 이렇게 인식을 만들어서 큐빗을 만들 수 있게 되고 이런 큐빗들을 여러개를 만들어서 양자 계산할 수 있는 컴퓨팅 칩을 만들게 됩니다. 단단점은 초전도체는 저온도로 내려가야 됩니다. 보통 사람들이 이용하는 것들이 나열이나 알등당같이 영하 160도 이하 내려갔을 때 초전도 이상이 일어나는 물체를 사용하기 위해서 이런 양자 컴퓨팅 칩을 동작하기 위해서는 굉장히 큰 냉각기가 필요합니다. 딜루션 루프리저를 이루어가야 하는

아주 좋은 오래된 냉각기가 필요한데요. 이런 냉각기에다가 우리가 이런 칩을 달아가지고 양자 계산을 하는 그런 과정들이 있습니다. 당연히 이런 것들을 우리가 더 발전하기 위해서는 만약에 우리가 새로운 양자 물질들을 개발한다면 이런 양자 계산을 하거나 아니면 다른 양자 소재의 효율을 좀 더 높일 수가 있겠죠. 많은 사람들이 요즘은 이런 양자 계산을 하는 그런 소자를 만들어서 그런 뿐만이 아니라 어떠한 소재를 가지고 양자 소재를 만들었을 때 더 좋은 그런 효과를 얻을 수가 있는 것에 대해서 많은 연구들도 진행하고 있습니다. 저희 그룹을 포함해서는. 이를테면 초전도체만 가지고 간 것들이 아니라 초전도체와 우리가 반도체를 섞은 것이다.

위상두도체, 이런 아주 굉장히 극권을 받는 그런 물질인데요. 이런 것들을 섞어서 만든다든가. 이렇게 하면은 좀 새로운 종류의 양자 물질 플랫폼을 만들 수 있고 거기서 굉장히 좋은 그런 소자의 등장들을 가져올 수 있지 않을까 이런 것들을 제가 많이 하고 있죠. 이와 같이 그런 새로운 물질들을 우리가 찾아서 그런 것들의 새로운 물질들의 성질을 연구하고 그런 성질을 통해서 다음 단계에 새로운 기술들을 개발하고자 하는 것들이 그런 양자 물질들을 연구하는 연구자들이 많은 것들인데요.

그 부분 중에 하나는, 중요한 것 중에 하나는 도대체 이런 물질들을 어떻게 우리가 찾고 일단 찾았더라도 그런 것들을 우리가 새로 만들어야 되잖아요. 길러야 되잖아요. 새로운 물질들을 만들어야 되잖아요. 이게 땀을 파서 나오거나 어디 개하는 것들이 아니라 그런 것들을 만들어야 되니까 다음에 이런 물질을 만들어야 되는데 말씀드린 것처럼 양자역학은 굉장히 작은 단위의 원자 단위까지 내려갔을 때 그런 것들이 굉장히 확실하게 잘 나타나기 때문에 어떤 면에서 이런 양자 물질들을 만들기 위해서는 양자 단위의 원자 단위의 물질을 조작을 하고

그 다음에 조절할 수 있는 기술들이 필요하게 됩니다. 그래서 그런 기술 중에 하나가 물질들을 기르는 기술 중에 하나예요. 여기 보이는 거죠. 이게 이제 Molecular beam apeteksy라는 장비인데요. 그 진공원 안에 유지를 하게 되고 거기에 우리가 각각의 이피전셀이라는 건데요. 그 안에 우리가 기르고 싶은 물질들을 여러 가지를 넣은 다음에 그런 것들을 우리가 전기로 데워서 뜨겁게 만들면 이피전셀에서 물질이 나오게 되죠. 잘 조정을 해가지고 그 판 위에다가 우리가 이런 물질들을 하나씩 하나씩 쌓게 되면 우리가 만들고 있는 판, 보통 슬리콘베이퍼 같은 것들 이용하게 되는데요. 그 외에는 물질들을 차곡차곡 쌓아서 기를 수가 있는 기술들이 있습니다.

이 몰래클라비맥텍스 MBE라고 불리는 기술들은 40년 50년 전에 개발이 돼서 이 점에서는 이제는 각각의 원자를 층층 이렇게 조정을 해서 쌓여시는 기술들이 개발이 된 바가 있고요. 이런 기술들 같은 경우는 이런 기술들을 이용해서 아까 말씀드린 양자 소재를 만드는 기반으로 쓸 수 있을 뿐만이 아니라 또한 일정 정도는 지금 반도체 기술에서도 이런 기술들이 이용이 돼서 우리가 지금 쓰고 있는 반도체 소자 중에서도 이런 원자층 제어를 이용할 수 있는 기술들이 생기고 있습니다.

다만 비단 이런 것들이 물리학자나 그 다음에 어트류러 사이티스나 이런 것들만이 아니라 또 다른 방법으로는 이렇게 MBD를 통해서 층층이 쌓일 수 있는 물질 말고도 다른 방법으로 물질을 개발할 수 있는 것들이 있어요. 이를테면 그래피녀를 부른 소재를 그래파이드 안에서 먼저 한창을 띄워낸 게 우리가 그래피녀라고 얘기하는데 그래피를 기르거나 아니면 실험실에서 그래파이드 그룹에서 띄워내거나 스카스테리나 이런 것들을 이용해가지고 우리가 그런 물질을 분리해낼 수가 있고요. 이런 것들이 그래피뿐만이 아니라 그와 비슷하게 층층이 쌓이는 물질들을 기르거나 서로 합쳐가지고 새로운 물질들을 만드는 기술들도 연구가 되고 있습니다. 이 부분은 사실 저희 그룹이 많이 지난 20년동안 특허를 한 부분인데요. 여러가지의 다른 종류의 물질을 우리가 층층이 쌓아가지고 이런 층층이 쌓은 물질에서 나타나는 새로운 현상들을 공부하는 것들을 이용해서 어떠한 약자 현상들을 우리가 양재 기술을 이용할 수 있게 되는 것들을 마찬가지로 하고 있습니다.

이 정도가 지금의 현 상태고요. 마지막으로 우리가 정리를 하게 되면은 지난 1900년대 초반에 양자역학들이 개발되면서 그런 양자역학들이 지난 2000년, 지난 100여 년 동안 무수한 많은 발견들이 있었습니다. 중요한 발견들이 있고 그중에는 새로운 물질의 양자역 발견들이 제가 말씀해 고원초조절에 포함되고요. 그런 것들이 오늘 이제 21세기에 그쳐가지고 계속적인 새로운 물질들이 발견되고 연구를 하는 바가 되고 있습니다. 도대체 이게 어디로 갈까요? 가장 중요한 몇 가지 문제들은 얼마나 이런 양자역학들이, 특히 자체계의 양자역학들이 굉장히

거실에서 나타나는 양자 현상을 발현한 경우가 있는데 이런 것들도 우리가 좀 더 많은 그런 예제를 찾을 수 있을까 예를 들면 초정도체가 특히 초정도체가 정원에서 뿐만 아니라 혹시 이런 것들을 잘 공부하게 되면 사문에서도 초정도체가 될 수 있지 않을까? 이런 문제를 포함해가지고 어떻게 하면 우리가 양자 컴퓨터가 좀 더 휴일 속으로 돌아갈 수 있는 그런 새로운 문제를 찾을 수 있겠습니까? 우리가 전혀 생각지도 못했던 그런 새로운 현상이 나타날 수 있지 않을까? 이런 거 포함해서 오늘날에도 굉장히 많은 그런 연구들이 진행되고 있는 활발히 연구가 진행되고 있는 그런 부분입니다.

혹시 여러분들 중에서 이 부분에 관심이 있으시면 경희대학교에 있는 물리학과에 가시면 양재무처대에서 연구하고 계시는 여러 교수님들이 계십니다. 그렇게 찾아가서 여쭤보셔도 되고요. 그 다음에 저는 5월 말, 5월 초에 경희대를 공부하게 되니까 올해 그때 만나가지고 구독자 전해드리도록 할 수 있을 것 같습니다. 자, 제 이야기는 여기 정도까지고요. 여러 가지로 긴 시간 동안 들어주셔서 감사하고요. 그 다음에 이 강연에 대해서 혹시 궁금하거나 더 알고 싶거나 더 드리겠습니다. 저에게 의미해 주시면 제가 답변을 드리도록 하겠습니다.

감사합니다. 안녕히 계세요.