최근 양자점, 양자컴퓨터, 양자암호통신 등 양자(quantum)라는 말을 자주 듣게 됐다. 양자역학 또는 양자물리학은 일반인들이 이해하기에는 난해한 개념이다. 양자론은 1900년 독일의 물리학자 플랑크의 양자 가설로부터 시작됐다. ‘광전 효과’라는 양자 물리학의 문을 연 아인슈타인조차 정작 양자의 불확정성, 양자 얽힘 등 양자역학의 개념들을 인정하지 않았고 양자역학 자체를 못마땅하게 생각했다. 양자역학은 우리의 상식으로 이해하기 어렵고 반직관적인 요소가 많다.
비록 일반인들이 이해하긴 어렵지만 양자역학의 개념은 이미 반도체나 LED(발광다이오드), 이를 활용한 스마트기기와 TV 등에 적용되고 있다. 여기에 최근 나노기술의 두드러진 발전에 따라 양자역학을 활용한 소재와 제품들이 더욱 확대될 가능성이 있다.
우선 소재와 부품의 성능 고도화에 활용될 것으로 보인다. 올해 TV시장에서의 중요한 화두 중 하나는 양자점(quantum dot)이다. LG, 삼성과 같은 국내 대기업뿐만 아니라 중국 기업까지도 양자점을 활용한 TV를 선보이고 있다. 이는 양자점이 포함된 광학 필름을 채용하면 기존의 LCD TV보다 더 다양한 색 표현이 가능해지기 때문이다.
한편 양자메타물질(quantum metamaterials)은 두 가지 이상의 こ諭망떳?공간적으로 배열 또는 접합시킨다. 기존에 알려져 있지 않은 새로운 물성을 보이기 때문에 궁극적으로 신개념 차세대 소자 개발에 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 얼마 전 화제가 됐던 투명망토 기술도 양의 굴절률 물질을 음의 굴절률로 만든 메타물질의 사례다.
장기적으로는 컴퓨터 성능을 높이고 통신보안의 새로운 가능성을 열어 갈 수 있을 것이다. 미국항공우주국(NASA)은 홈페이지를 통해 “양자컴퓨터는 이론적으로 기존 디지털컴퓨터가 해결에 수백만년이 걸리는 문제들을 불과 며칠 만에 풀 수도 있다”고 소개했다.
물론 양자컴퓨터를 개발하려는 목적은 일반컴퓨터와는 구별된다. 현재 컴퓨터 성능으로도 게임이나 업무를 보고 또는 기타 일상생활과 밀접하게 관계되는 일을 하는 데 문제가 없다. 다만 양자컴퓨터와 같은 초고속 컴퓨터 개발은 기존의 가장 빠른 컴퓨터로 계산하면 수백, 수천년 걸릴지도 모르는 의약품 개발, 신재료 개발, 군사용 및 물리·화학연구 분야의 시뮬레이션에 이용하기 위해서이다.
통신보안 기술에서도 기존의 방식과는 다르게 양자 현상의 관측 값을 숫자로 변환하면 예측이 불가능하고 이전 숫자와 새로운 숫자 간 상관관계가 없으며, 숫자가 편향되지 않는 순수난수(true random number)의 조건을 만족시킨다. 이를 통해 이동통신과 사물인터넷(IoT), 금융, 스마트그리드, 스마트가전 등 통신산업 전반의 보안체계에 혁신적 변화를 몰고 올 수도 있을 것이다.
최근 나노과학의 발전으로 수 나노크기의 물질에서 나타나는 양자현상을 이해하고 이를 소재와 제품으로 활용하는 추세다. 이러한 소재의 발달은 단순히 기존 소재를 대체하고 보완하는 수준을 넘어 양자컴퓨터나 양자암호통신에 직접 활용되면서 그 발전 속도를 가속화할 가능성이 있다.
특히 양자의 개념을 통해 만들어진 반도체나 LED와 같은 부품의 파급력이 커진 것처럼, 양자역학 기반의 소재나 부품과 기존 제품의 융복합, 양자 기반의 소재·부품 간 융복합이 이뤄지게 되면 상당한 파급효과를 가져올 수 있다. 양자 기술은 물질의 궁극적인 최소 단위의 입자와 그 특성에 관련된 것인 만큼 앞으로 어떻게 발전하고 실용화될지 아직 가늠하기 어려운 부분이 많다.
양자 기술의 이론과 아이디어의 구체화, 소재 개발과 제품화는 어느 한 기업이나 연구소가 다 감당하기는 어려워 보인다. 양자기술 부문의 연구와 기술 발전을 위해서는 다양한 네트워크와 활발한 열린 혁신(open innovation) 활동이 더욱 중요해질 가능성이 크다.
이우근 < LG경제연구원 책임연구원 >
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