양자 기술에는 양자 컴퓨터, 양자 시뮬레이터, 양자 통신, 양자 센싱 등 다양한 기술이 포함되며, 이들이 서로 깊은 관계를 맺으면서 적극적인 연구개발이 이루어지고 있다. 미국, 중국, 유럽 각국을 중심으로 양자 기술이 산업 경쟁력을 좌우할 것으로 인식되어, 대규모 정보 연구 개발 투자가 이루어지고 있다. 국가 안전 보장 측면에서도 기대되는 바가 크다. 

대기업의 양자 암호 키 분배 및 양자 컴퓨터에 대한 적극적인 투자도 보이고 있어, 2021년 4월에는 우리나라도 국가의 미래 전략기술 확보를 위한 방안으로 양자기술 연구개발(R&D) 투자전략을 확정하고, 도전적인 원천기술 개발을 강화하겠다고 밝혀 양자기술 발전에 기대감을 높이고 있다. 양자 기술은 사회ㆍ경제적 과제를 해결하는 것뿐 아니라 새로운 학술 분야의 탄생에도 공헌하며, 전 세계의 새로운 흐름을 만들어, 미래의 성장ㆍ발전을 주도하는 중요한 기술이라 할 수 있다.

계측ㆍ센싱 기술은 과학 기술의 기반이다. 그 한계를 각각의 광자 및 원자의 양자 상태 제어를 통해 깨뜨리는 것이 양자 계측ㆍ양자 센싱 기술이다. 각속도에 따라 원자파의 양자 간섭 위상이 변화하는 효과를 이용하면 고감도 자이로스콥을 실현할 수 있다. 냉각 원자 분천형 및 열원자 빔 간섭형이 알려져 있는데, 모두 고전 기술(기존 기술)의 성능보다 뒤떨어진다. 실현하는 데 필요한 기반 기술의 대부분을 광격자시계 및 양자 시뮬레이터 등과 공유하면서도 고전 기술과 융합되어야 한다. 항법 응용에서는 고감도 외에 가속도 내성 및 다이내믹 레인지와 같은 성능도 요구된다. 가속도와 각속도를 구분하는 양자 센싱 기술도 개발되고 있다.

광격자시계 연구개발의 주안점은 응용ㆍ실용화로 옮겨졌다. 2001년에 제안된 이후 유럽/미국 및 아시아 각국의 계량 표준 연구소 등에 파급되었고, 2016년에는 당초 목표였던 18자리의 정밀도가 실현되었다. 유럽에서는 수천 km에 달하는 광섬유망이 정비되어, 각국 표준 연구소의 시계를 비교할 준비가 갖추어졌다. 

시계의 네트워크화는 재현성 확보 및 시간 정보 공유에 있어 중요하다. ‘초’의 재정의를 위해 시각 표준을 생성하는 시책도 이루어지고 있다. 또한 중력 포텐셜계로서의 응용도 주목받고 있다. 지진이나 화산 활동의 측정에서 응용하기 위해, 외부에서 안정적으로 작동하는 가반형 광격자시계가 개발되고 있다.

광검출 자기 공명을 발견한 후 20여 년이 지나, 다이아몬드 NV 센터를 이용하는 양자 센서 연구개발이 진행되어, 자장, 전장, 온도, 압력, pH 등의 측정에서 기존 기술을 능가하게 될 가능성을 찾았다. 뇌자계측, 심자계측, 세포내계측, 단백질 구조 분석 등의 바이오 센터에서부터 금속 결함 검출까지 다양한 분야에서 이용할 수 있을 것으로 기대된다. 

센서 디바이스의 이용에 더하여 지름이 수 나노미터 정도인 다이아몬드 입자를 프로브로 사용하여 생명 현상 및 세포내 환경을 양자 계측하는 연구도 성행하고 있다. 다수의 스타트업도 설립되어, 앞으로 서서히 시장이 확립될 것으로 보인다. 매력적인 양자 센싱 기술 중 하나로, 안정동위체핵을 초고감도로 계측하는 ‘초편극 MRI’가 있다. 이것은 초편극 유도된 안정동위체핵을 검체에 투여함으로써 핵 스핀의 편극률을 일시적으로 수만 배로 만들어 고감도로 MRI 촬영을 하는 기술이다. 3He 및 129Xe 등의 희소가스에서 시작되어, 2003년에 수용성 물질을 동적 핵편극(DNP)로 고감도화시킨 후 수용액에 용해시키는 dissolution DNP(dDNP)법이 개발되어 C의 NMR 신호를 1만 배로 증폭하는 데 성공하면서, PET 등을 대신하는 방사선 피폭이 없는 안전한 분자 이미징 진단을 위한 연구가 세계적으로 이루어지게 되었다. 

미국 GE 헬스케어에서 제작한 C여기장치가 전 세계의 23군데 이상에 도입되어, 수백명 규모의 임상 시험이 진행되고 있다. 적극적인 연구를 통해 그 적용 범위는 암 진단에서 심기능 평가까지 확대되었다. 광 또는 물질의 양자 얽힘을 이용하는 계측 기술은 양자 얽힘 센싱이라 불린다. 그 대표적인 예로는 ‘양자 얽힘 현미경’이 있다. 이는 미분 간섭 현미경의 레이저 빛 대신 양자 얽힘 빛이 사용되며, 해상도가 향상될 것으로 보인다. 또한 양자 광간섭 단층계(양자 OCT)라는 이미징 응용도 알려져 있다. 스퀴즈드 스핀 상태 및 원자 기체계를 이용하는 물질의 양자 얽힘에 의한 센싱도 제안되었다. 모두 기초 연구 단계를 중심으로 하며, 시스템 인테그레이션 및 응용의 개척이 이루어져야 한다.

물성 물리학, 양자 정보, 화학ㆍ재료 공학 등 다양한 분야에 걸친 개념으로서 ‘양자 머티리얼’이 주목받고 있다. 원래는 고온 초전도체 및 무거운 전자계 등 고체 물리학의 신기한 양자 현상 및 양자상 등을 강조하기 위해 도입된 용어다. 

하지만 현재는 새로운 물질 및 그 위에서 실현되는 양자 상태가 양자 정보를 연구하는 무대로 제공되거나 그 반대로 양자 정보의 개념 치 방식을 사용하여 물질의 양자 다체계 양상을 이해하는 등, 서로 왕래할 수 있는 학제적인 분야로 변화되고 있다. 가장 두드러진 예는 얽힘 엔트로피를 사용하는 토폴로지컬 물질의 이론적인 연구이다.

질량을 가지지 않는 디락 전자의 운송 특성이 크래핀에서 발견된 이후, 물질 중 상대론 효과인 스핀 궤도 상호작용의 역할이 주목받게 되었다. 스핀 궤도 토크, 스핀홀 효과, 스키르미온, 마요라나 페르미온 등 매력적인 양자 현상이 다수 발견되었다. 또한 2차원 물질을 반데르발스 접합한 헤테로 구조에서도 근접 효과에 의한 새로운 현상이 다수 보고되었다. 대표적인 것으로, 트위스트 이층 그래핀의 초전도, WTe2의 양자 스핀홀 효과, 그래핀/WS2 헤테로 구조의 스핀 전하 변환 등이 있다.

토폴로지컬 절연체ㆍ초전도체의 이론 예측과 그 실험에 의한 검증도 이루어지고 있다. 이러한 물질의 표면(2차원 물질의 경우에는 끝부분)에서는 토폴로지컬로 보호된 상태가 생겨날 것으로 기대되며, 칼코게나이드 반금속 등에서는 실험적으로 확인되고 있다.

양자 정보와 양자 물성의 이론적인 관계는 긴밀하다. 분수 양자 홀 상태에는 새로운 형태의 질서가 존재하며, 기존의 물성 이론 접근방식인 란다우 대칭성의 깨짐 이론은 적용되지 않는다는 것이 문제가 되었다. 양자 정보는 여기에 ‘양자 얽힘’ 개념을 가져와, 토폴로지컬 질서를 통한 이해로 성공을 거두었다. 

토폴로지컬 질서와 새로운 양자상의 연구를, 양자 정보 용어로는 양자 얽힘의 패턴 연구라고도 말한다. 명확하지 않은 패턴은 토폴로지컬 질서상(스핀 액체 상태 및 분수 양자 홀 상태)의 분수 전하 및 분수 통계, 갭리스 여기 등 새로운 양자 현상의 보고이다.

새로운 양자 머티리얼이 제공하는 새로운 양자계는 다양한 양자 기술의 플랫폼이 될 것으로 기대된다. 눈에 띄는 예는, 양자 스핀 액체에 나타난 마요라나 입자를 토폴로지컬 양자 컴퓨터에서 응용하는 것이다. 초전도 큐비트의 성능에 대한 불순물의 영향 등, 양자 기술만으로는 해결하기 어려운 재료 과학적인 접근방식이 중요해지는 상황도 많아질 것으로 생각된다. 또한 기계학습 알고리즘에 의해 토폴로지컬 질서를 분류하는 등 분야 교류도 왕성하다.

본고는 IRS글로벌이 최근 발표한 [4차산업혁명의 엔진, 양자기술(Quantum Technology) 글로벌 혁신 기술 트렌드 및 향후 전망] 보고서의 주요내용을 요약, 정리한 것이다.