1. 양자기술이란?

최근에 양자기술 전반에 대한 스터디와 양자센서 중심의 산업들을 경험하는 일이 생겨 공부하는 내용을 정리해서 올려봅니다.

이해를 따라가는 입장에서 적는 것이기 때문에 더 많이 아시는 분들이 많은 가르침 부탁 드립니다.

1) 양자기술

2) 양자컴퓨팅

3) 양자 소프트웨어

4) 양자 칩

5) 양자 센서

6) 양자 시뮬레이션

7) 양자기술과 AI

8) 양자기술과 블록체인

9) 제조업 서비스화와 양자기술

이렇게 주제를 잡고 매일 적어나가겠습니다.

1. 양자기술이란?

양자기술은 양자역학의 원리인 중첩, 얽힘, 터널링 등을 이용하여 정보를 처리하고 데이터를 전송하거나 측정하는 기술을 의미합니다.

양자 중첩과 양자 얽힘

1) 중첩(Superposition)

현대 컴퓨터의 비트(Bit)는 0 또는 1 중 하나의 값을 가지고 그 값을 조정하면서 정보를 처리하고 전송하거나 측정한다면 양자컴퓨터의 큐비트(Qubit)는 0과 1의 기저 상태가 중첩된 상태를 가질 수 있습니다. 측정하면 정해진 확률에 따라 하나의 결과가 나옵니다.(측정되기 전까지 확률로 존재한다는 양자역학의 기본 명제를 참고하면 이해에 도움이 됩니다)

중첩과 간섭을 적절히 이용하는 양자 알고리즘은 특정 문제에서 고전 알고리즘보다 유리할 수 있습니다. 그러나 모든 계산을 동시에 읽어낼 수 있거나 모든 문제에서 더 빠르다는 뜻은 아닙니다.(행렬을 참고하면 이해에 도움이 됩니다)

2) 얽힘(Entanglement)

두 개 이상의 큐비트(Qubit)가 서로 강하게 연결되어 각 큐비트를 독립된 상태로 설명할 수 없고 측정 결과 사이에 양자적 상관관계가 나타나는 상태를 의미합니다.

얽힘만으로 정보를 즉시 보내거나 빛보다 빠르게 통신할 수는 없습니다. 양자 텔레포테이션에도 고전적인 통신이 필요합니다. 우리가 흔히 SF소설에서 이야기하던 양자 네트워크도 이 현상을 기반으로 실현될 수 있습니다.

양자 터널링

3) 양자 터널링(Quantum Tunneling)

양자가 고전 물리학적으로는 넘을 수 없는 에너지 장벽을 확률적으로 뛰어넘어 이동하는 현상을 의미합니다.

고전 물리학에서는 입자가 어떤 장벽(전위 장벽과 같은)을 넘기 위해서는 충분한 에너지가 필요합니다. 그래서 입자의 에너지가 장벽보다 낮으면 입자는 반사되고 장벽을 넘을 수 없습니다.

그러나 양자역학에서는 입자가 입자(Particle)이며 동시에 파동(Wave)인 성질을 가지므로 장벽을 넘어 존재하는 확률이 있습니다.

즉, 입자가 장벽을 마주하더라도 일정한 확률로 반사되지 않고 터널을 통과할 수 있는 것입니다.

이미 이 부분은 현실세계에서도 적용되어 활용되고 있습니다.

예) 반도체 소자(MOSFET, 터널 다이오드)

NMOS (a) and PMOS (b) MOSFETs.

: MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)는 전류를 제어하는 스위치 역할을 하는 반도체 소자입니다. 반도체 트랜지스터 중에서도 가장 많이 사용되는 타입으로 전압을 이용해 전류의 흐름을 조절하는 역할을 합니다. 디지털회로(로직 게이트, CPU, 메모리)와 아날로그 회로(증폭기, 전력변환기)에서 모두 사용되는 현대사회의 근간입니다.

일반적인 MOSFET은 게이트 전압으로 채널의 전하와 전류를 제어합니다. CPU·GPU의 스위칭이 일반적으로 터널링 덕분에 이루어지는 것은 아닙니다. 터널링은 터널 다이오드 등에서는 활용 원리지만, 미세 MOSFET에서는 누설 전류를 일으키는 요인이기도 합니다.

삼성전자의 7nm 미세공정 4nm 미세공정을 알리고 홍보하는 이유는 이런 미세공정에서는 전자가 양자 터널링을 통해 누설되는 현상이 발생되어 트랜지스터 크기가 너무 작아지면 전류 누설 문제로 인해 한계에 도달할 가능성이 높기 때문입니다.

이를 해결하기 위해 FinFET, GAAFET 같은 새로운 구조의 MOSFET이 개발되고 있습니다.

그외 핵융합 반응(태양의 에너지원). 스캐닝 터널링 현미경(STM, Scanning Tunneling Microscope) 등으로 활용되고 있습니다.

이러한 양자역학의 원리를 통해 인류는 양자 기술(Quantum Technologies)을 개발하고 있습니다. 양자 기술에는 양자 통신, 양자 센서, 양자 암호, 양자 재료 및 나노기술, 양자 컴퓨팅 하드웨어&소프트웨어 등이 있습니다.

지금 AI 관련해서 여러가지 이야기들이 나오고 있지만

AI 에이전트(AI Agents)를 자동으로 작업을 수행하고 결정을 내리는 인공지능 시스템으로 정의해 이야기를 해보자면,

실제로 그렇게 작동되기 위해서는 다양한 데이터 처리 및 최적화 연산을 필요로 합니다. 양자컴퓨팅과 양자 소프트웨어, 양자 통신 등은 일부 AI 에이전트의 계산을 지원할 가능성이 연구되고 있습니다. 실제 AI 업무에서의 우위는 알고리즘·하드웨어·오류 보정과 고전 시스템을 포함한 검증이 필요합니다.

즉, 양자통신 인프라 내에서

AI Agents ↔ 양자컴퓨팅의 연산력(+ 광인터커넥트 (Optical Interconnect)를 이용한 기존 반도체칩 또는 전자기기, 고전기계들과의 연결) ↔ 양자 소프트웨어의 최적화 기능이 상호 보완적으로 작용할 것으로 예상됩니다.

이 때문에 공부를 시작하게 되었는데 내일은 각 양자기술에 대한 현재상황(중국, 미국, 한국 등의 국가와 기업단위 기준)을 정리하여 올려드리겠습니다.