양자역학의 역사와 적용 산업(반도체, 양자컴퓨터)과 기업

안녕하세요. 오늘은 양자역학의 역사와 양자역학의 원리가 적용되어 오늘날 눈부신 발전을 이룬 산업 그리고 기업을 소개하고자 합니다. 양자역학이라고 하면 머리가 지끈거리고, 다소 접근하기를 피해지는 학문인데요. 그럼에도 불구하고 대략적인 원리나 역사를 알아두면 좋은 것이 현재 대부분의 최첨단 산업기술은 양자역학의 원리를 그 근간으로 해요. 상대성이론의 시공간을 주제와 함께 양자역학의 미시세계는 우리의 상상력을 자극하여 많은 SF영화의 기본 소재가 되기도 하죠. 우리의 일상에 깊이 자리잡은 기술의 기저가되는 원리를 설명해주는 양자역학! 그 역사와 적용 산업을 알아보도록 하죠. 

 
 

양자역학의 해석에 핵심적인 사건(5차 솔베이 회의)

 
1927년에 브뤼셀에서 열린 제5차 솔베이 회의*는 물리학 역사에서 중요한 순간이었습니다. 특히 양자 이론이 발전하는 과정에서 핵심적인 논의가 이루어졌습니다. 이 회의에서 알베르트 아인슈타인과 닐스 보어가 중심이 되어 중요한 논쟁을 벌였으며, 이는 양자역학의 해석에 큰 영향을 미쳤습니다.
* 솔베이 회의(Solvay Conference)는 1911년에 시작되어 현재까지 이어지는 중요한 물리학 및 화학 관련 학술 회의입니다. 이 회의는 주로 양자역학, 상대성 이론, 입자 물리학 등 최첨단 과학의 주제에 대한 토론을 다룹니다.
 
회의에서 가장 중요한 논쟁은 코펜하겐 해석에 대한 것이었습니다. 이 해석은 닐스 보어와 베르너 하이젠베르크가 주장한 것으로, "양자 입자는 본질적으로 확률적 상태에 존재하며, 관측이 이루어졌을 때만 파동 함수가 붕괴하여 확정적인 상태로 변한다"고 설명합니다. 이에 반해 아인슈타인은 "신은 주사위 놀이를 하지 않는다"고 말하며, 양자역학의 불확정성은 미완성된 이론에 대한 반영일 뿐, 자연의 근본적인 속성이 아니라고 주장했습니다.
 
굉장히 흥미롭죠. 참고로, 아이슈타인은 과학적 토론에서 신을 자주 언급하였는데, 그 스스로를 범신론적 경향을 가진 사람으로 묘사하며, 종교적 믿음에 대해 철학적이고 과학적인 접근 방식을 취했습니다
 
아인슈타인과 보어 간의 논쟁은 양자역학의 발전에 깊은 영향을 미쳤습니다. 아인슈타인은 코펜하겐 해석을 완전히 수용하지 않았지만, 그의 도전은 물리학자들이 양자역학을 더욱 정교하게 이해하는 데 도움이 되었습니다. 이 회의는 양자 얽힘과 같은 새로운 개념을 발전시키는 데 중요한 역할을 했으며, 결국 양자 정보 이론과 같은 분야의 기초를 마련했습니다. 비록 아인슈타인의 비판에도 불구하고, 코펜하겐 해석은 양자 현상을 이해하는 데 주된 이론으로 자리 잡았습니다.
 
 
1900년대에는 물리학이 꽃피운 시대로 이와 같이, 역사에 길이 남은 과학자들간의 뜨거운 논쟁속에서 최첨단 산업 기술의 물리학 이론을 확립했습니다. 역사상 손에 꼽히는 천재인 아인슈타인도 강하게 비판하고 수용하지 못했던 양자역학! 이에 대해서 좀더 들여다 보도록 하겠습니다.
 
 

양자역학이란

양자역학 (Quantum Mechanics)은 물리학의 한 분야로, 주로 미시 세계, 즉 원자 및 하위 입자의 동작을 설명하는 학문입니다. 고전역학이 물체의 운동을 설명하는 방식과 달리, 양자역학은 매우 작은 입자들이 어떻게 행동하는지를 다루고 있습니다. 예를 들어, 원자나 전자와 같은 입자는 고전적인 방법으로 설명할 수 없으며, 양자역학의 불확정성 원리, 파동-입자 이중성, 양자 얽힘과 같은 원리를 통해서만 이해될 수 있습니다.
 
새로운 이론은 관측 기술이 발전함에 따라 항상 그렇듯 설명할 수 없는 현상이 나타나고, 이에 대해서 해석하기 위해 인간의 감각으로 이해할 수 있는 모델을 만들고, 이를 수식화하여 하나의 법칙으로 만듭니다. 법칙화하고 이론으로 확립되기 위해서는 앞서 소개한 솔베이 회의에서 거치는 치열한 논쟁은 불가피한 것이죠. 
 
각 원리에 대해서 설명하자면 아래와 같습니다.

1. 파동-입자 이중성: 입자는 때때로 입자처럼 행동하고 때로는 파동처럼 행동하는데, 이 성질은 전자와 같은 기본 입자에서 관찰됩니다.
2. 불확정성 원리: 하이젠베르크에 의해 제시된 원리로, 입자의 위치와 운동량을 동시에 정확히 알 수 없다는 것입니다. 이는 양자 수준에서의 근본적인 제한을 나타냅니다.
3. 양자 얽힘: 두 입자가 공간적으로 멀리 떨어져 있어도, 하나의 입자의 상태가 다른 입자의 상태에 영향을 미칠 수 있는 현상입니다. 이 현상은 물리학적으로 설명하기 매우 복잡합니다.
4. 확률적 성격: 양자역학에서는 입자의 상태나 결과가 확률적으로 존재하는 것으로 다루어지며, 정확한 예측이 아니라 가능성으로 설명됩니다.

가끔 앤트맨, 인피니트워, 엔드게임과 같은 마블 영화에서 양자역학의 개념을 비유적으로 다루며, 실제 양자역학의 복잡한 원리들을 쉽게 이해할 수 있도록 표현합니다. 양자중첩, 양자터널링, 양자얽힘, 다차원 우주 이론 등 다양한 양자역학적 개념들을 주요 스토리라인으로 잡는 경우가 있는데 위의 원리에 대해서 이해를 하면 더 흥미롭게 볼 수 있을 것입니다.
 
 
 

양자역학이 영향을 미치는 산업

우리는 미시세계가 아니라 고전역학 즉, 누가 어디서 어떤 속도로 뛰면 몇분뒤에 어디에 있을지 정확하게 예측할 수 있는 세계에 살고 있습니다. 당연히 우리는 눈에 보이지 않는 미시세계에서 적용 받는다고 하는 양자역학의 원리를 쉽사리 상상할 수없습니다. 그러나, 현재 열광하는 AI, 반도체 기술, 양자컴퓨터의 기본이 되는 원리는 양자역학입니다. 기술이 정교화 될수록, 인간이 컨트롤해야하는 미시세계이고, 누가 미시세계까지 컨트롤하여 정교한 기술을 만드느냐에 따라 우리가 사용하는 장치의 속도를 결정하고 에너지 효율을 결정하죠. 
 
이처럼, 양자역학은 현대 산업에 여러 방면에서 중요한 영향을 미쳤습니다. 그 중에서 가장 두드러진 분야는 반도체 기술, 정보 기술, 통신 기술 등이 있습니다. 양자역학의 원리가 산업에 미친 주요 영향을 살펴보겠습니다.
 
 
1. 반도체 기술과 컴퓨터
양자역학의 원리는 현대 반도체 산업의 기초로 자리잡았습니다. 반도체는 양자 효과를 활용하여 트랜지스터와 집적 회로를 만들 수 있습니다. 반도체 소자의 성능은 전자의 파동 함수와 불확정성 원리와 같은 양자 역학적 특성에 기반해 결정됩니다. 이러한 기술 덕분에 우리가 사용하는 컴퓨터, 스마트폰, 노트북과 같은 디지털 장치들이 작고 효율적으로 작동할 수 있습니다.
 
특히, 트랜지스터는 반도체 소자로, 전류를 제어하는 역할을 합니다. 트랜지스터의 동작 원리에서 양자역학적 현상은 중요한 역할을 합니다. 주로 다음과 같은 양자 효과가 적용됩니다:
 
터널링 효과 (Quantum Tunneling) : 소자의 크기가 미세해지면 전자의 파동 함수가 겹쳐지는 범위가 커져서 전자 터널링 현상이 발생할 수 있습니다. 이로 인해 전도성에 변화가 생기며, 소자의 작동 속도나 효율성에 영향을 미칩니다
양자컴퓨터와 반도체, 그리고 쌀밥 | 한국경제

[토요칼럼] 양자컴퓨터와 반도체, 그리고 쌀밥

 
 
 
양자점 효과 : 양자점(Quantum Dot)은 매우 작은 반도체 입자로, 전자의 운동이 3차원적으로 제한된 나노스케일 크기에서 발생하는 양자 효과를 활용합니다. 이러한 양자적 속성은 전자와 전공(홀)의 에너지 상태를 이산적인 에너지 준위로 만듭니다. 이는 전자의 움직임이 양자 우물(Quantum Well)과 유사하지만, 3차원적으로 더 극단적으로 제한되는 상황을 반영합니다.양자점은 크기가 작아질수록 에너지 준위 사이의 간격이 증가하고, 광학 및 전기적 특성이 독특하게 변화합니다. 향후 더 나은 에너지 효율성과 성능을 제공할 가능성이 큽니다. 특히, 반도체 소자의 소형화와 고성능화에 양자점 효과가 핵심적인 역할을 할 것으로 기대됩니다.
 
 
 
2. 양자 컴퓨팅
양자컴퓨터는 기존의 컴퓨터 기술을 혁신할 잠재력을 가지고 있습니다. 전통적인 컴퓨터는 비트 단위로 정보를 처리하지만, 양자컴퓨터는 큐비트*를 사용하여 정보를 동시에 여러 상태로 처리할 수 있습니다. 이는 암호화나 최적화 문제 등을 해결하는 데 있어 엄청난 속도 향상을 가능하게 합니다. 구글, IBM, 마이크로소프트 등의 기업들이 양자 컴퓨터 개발에 적극적으로 투자하고 있으며, 양자 컴퓨팅은 암호학, 인공지능(AI), 빅 데이터 분석 등의 분야에 혁신을 일으킬 것으로 기대됩니다 .
참고로, 큐비트(Qubit)는 양자컴퓨터에서 정보를 저장하는 기본 단위입니다. 전통적인 컴퓨터의 비트는 두 가지 상태(0 또는 1)로 정보를 나타내지만, 큐비트는 양자역학적인 특성을 이용하여 동시에 여러 상태를 가질 수 있습니다. 이 특성은 중첩(superposition)이라 불리며, 큐비트는 0과 1의 두 상태를 동시에 존재할 수 있게 합니다. 
 
양자컴퓨터는 전통적인 컴퓨터와 다르게 양자역학의 원리를 이용하여 계산을 수행합니다. 이를 통해 대규모의 복잡한 문제를 해결할 수 있는 가능성을 제공하며, 다음과 같은 주요 양자역학적 원리가 적용됩니다:
 
중첩 원리 (Superposition) : 중첩은 양자 상태가 여러 상태에 동시에 존재할 수 있는 특성입니다. 전통적인 컴퓨터에서는 비트가 0 또는 1의 값을 갖지만, 양자컴퓨터에서는 큐비트(quantum bit)*가 여러 상태의 중첩 상태를 가질 수 있습니다. 예를 들어, 큐비트는 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있기 때문에 동시에 여러 계산을 수행할 수 있습니다. 이는 계산의 효율성을 크게 향상시킵니다. 또한 큐비트는 얽힘(entanglement)이라는 현상을 이용해 여러 큐비트가 서로 밀접하게 연결되어 하나의 상태처럼 동작할 수 있습니다.
이러한 양자역학적 특성 덕분에 큐비트는 기존 컴퓨터 비트보다 훨씬 더 많은 정보를 처리할 수 있는 가능성을 제공합니다. 예를 들어, n개의 큐비트는 2^n 개의 상태를 동시에 계산할 수 있기 때문에, 양자컴퓨터는 일부 복잡한 문제를 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 해결할 수 있을 것으로 예상됩니다.

 
얽힘 (Entanglement) : 양자 얽힘은 두 개 이상의 양자 시스템이 서로 강하게 연결되어, 하나의 큐비트 상태가 변할 때 다른 큐비트의 상태도 즉각적으로 영향을 받는 현상입니다. 양자컴퓨터에서는 큐비트들이 얽혀서 서로 정보를 교환하며, 이를 통해 병렬 처리가 가능해집니다. 이로 인해 양자컴퓨터는 고전적인 컴퓨터로는 불가능한 방식으로 빠르게 정보를 처리할 수 있습니다.
https://www.yna.co.kr/view/AKR20240904063300063

ETRI, 광자 기반 8큐비트 칩 개발…"6개 양자얽힘 확인" | 연합뉴스

 
 
양자 간섭 (Quantum Interference) : 양자 간섭은 여러 양자 상태들이 상호작용하며 특정 상태가 강화되거나 약화되는 현상입니다. 양자컴퓨터에서는 여러 계산 경로가 중첩되며 간섭을 일으켜, 원하는 계산 결과를 강화하고 불필요한 결과를 제거하는 방식으로 효율성을 높입니다. 이를 통해 양자 알고리즘은 고전적인 알고리즘보다 빠르고 정확하게 문제를 해결할 수 있습니다.
https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2023042711351959808

반도체 칩 '소형화 한계' 해법은?…"양자기술로 퀀텀점프 가능" - 머니투데이

 
 
양자컴퓨터는 전통적인 컴퓨터에 비해 다음과 같은 뛰어난 장점을 가질 수 있습니다. 양자역학의 각 원리를 통해 과학적인 문제해결을 통해 양자컴퓨터의 성능을 향상시킬수 있습니다. 양자 중첩과 얽힘 현상을 통해 병렬 계산능력을 갖는데, 이때문에 한번에 여러 계산을 동시에 할수 있습니다. 또 양자간섭과 터널링을 현상을 정복하면 복잡한 문제를 매우 뺴르게 처리하여 큰 데이터 처리 능력을 갖습니다. 이를 통해 결과적으로 복잡한 최적화 문제나 암포해독과 같은 분야에서 월등한 성능을 발휘 할 수있습니다. 이를 통해 암호학, 의약연구, 기계학습, 물리학 및 화학 시뮬레이션 등 다양한 분야에서 혁신적인 변화를 이끌어낼 것으로 기대하고 있습니다. 
 
 
3. 양자 통신 및 암호화
양자 통신은 양자 얽힘과 양자 키 분배(QKD)와 같은 기술을 활용하여 완벽한 보안을 제공할 수 있습니다. 이 방식은 도청이나 해킹이 불가능한 특성을 가지고 있어, 금융, 국방, 정부 등 다양한 분야에서 데이터 보안을 강화할 수 있습니다. 중국은 세계 최초로 양자 위성 통신 시스템을 운영하며, 양자 통신 상용화에 앞장서고 있습니다 .
 
양자통신(Quantum Communication)은 양자역학의 원리를 활용하여 정보를 전송하는 방법입니다. 양자통신의 핵심은 양자 얽힘과 양자 중첩 같은 양자 특성을 이용해 정보를 안전하게 전송하고, 도청 방지와 암호화 기능을 극대화하는 것입니다. 양자통신은 크게 두 가지 중요한 기술로 발전하고 있습니다:
 
양자 암호화 (Quantum Cryptography) : 양자 암호화는 정보를 전송하는 동안 중간에서 이를 도청하려는 시도를 탐지하고 차단하는 기술입니다. 가장 유명한 예는 양자키 분배(QKD, Quantum Key Distribution)입니다. QKD는 두 통신 주체 간에 암호화된 키를 안전하게 교환할 수 있도록 도와줍니다. QKD의 가장 큰 장점은 불확정성 원리를 활용하여 도청자가 통신을 엿보려고 할 경우, 그 시도 자체가 탐지되어 통신 내용이 안전하게 보호된다는 점입니다.
 
양자 얽힘을 이용한 정보 전송 (Quantum Entanglement) : 양자 얽힘을 통해 서로 멀리 떨어져 있는 두 입자가 상호 연결되어 있는 상태를 유지할 수 있습니다. 한 입자의 상태를 측정하면, 다른 입자의 상태도 즉시 결정됩니다. 이를 이용하여 양자 상태가 얽혀 있는 두 통신 지점 간에 정보를 즉시 전송할 수 있습니다. 양자 얽힘은 정보의 순간 전송을 가능하게 할 잠재력을 가지고 있지만, 실제로는 기술적으로 많은 도전 과제가 존재합니다.
 
 
양자통신의 가장 큰 장점은 정보의 안전성입니다. 양자암호화 기술을 사용하면 외부에서 정보를 도청하는 시도를 탐지할 수 있으며, 통신 도청이 사실상 불가능합니다. 양자암호화는 기존의 암호화 기술보다 월등히 높은 보안을 제공할 수 있습니다. 이는 양자 불확정성 원리와 양자 얽힘을 통해 도청이 사실상 불가능하기 때문입니다.
 
 
양자통신의 응용 분야로는 양자통신은 군사적, 외교적 보안이 중요한 국가들 사이에서 정보 보호를 위해 활용될 수 있습니다. 또한 금융 거래와 데이터 보호를 위해 은행과 금융 거래에서 양자암호화 기술을 활용하여 고객 데이터를 안전하게 보호할 수 있습니다. 양자통신을 활용한 새로운 보안 시스템은 사이버 공격에 대한 방어력을 획기적으로 높일 수 있습니다.
 
양자통신은 아직 연구와 실험이 진행 중인 기술이지만, 향후 보안, 개인정보 보호, 안전한 정보 전송을 위한 핵심 기술로 자리 잡을 가능성이 매우 높습니다.
 
 
양자통신 기술을 개발하고 있는 주요 기업

기업명	상장 여부	주요 기술/서비스
IBM	상장 (NYSE: IBM)	양자컴퓨터와 양자통신 네트워크 제공. IBM Quantum은 클라우드를 통해 양자컴퓨터 서비스를 제공하며, 양자 암호화와 보안에 대한 연구 진행 중
Google	상장 (NASDAQ: GOOG)	양자컴퓨터 개발 및 양자 AI 연구. Google은 양자 통신을 위한 기술 개발에 집중하고 있으며, 클라우드 기반의 양자컴퓨터 서비스를 제공
Alibaba	상장 (HKG: 9988)	양자컴퓨팅 및 양자통신 서비스 제공. 알리바바는 양자 네트워크 구축 및 양자 암호화 기술 개발 중
Honeywell	상장 (NASDAQ: HON)	양자컴퓨터 및 양자통신 기술 개발. Honeywell은 고온에서 작동하는 양자 시스템 개발에 주력
ID Quantique	비상장	양자암호화 및 보안 통신 기술 제공. ID Quantique는 양자 키 분배(QKD) 기술을 통한 보안 통신 시스템을 제공
Quantum Xchange	비상장	양자 안전 통신 서비스 제공. 양자암호화 기술을 활용한 고도의 보안 통신 서비스 제공
Toshiba	상장 (TSE: 6502)	양자키분배(QKD) 기술을 통한 보안 통신 시스템 개발

 

 글을 마무리하며...

인류의 역사에 걸쳐 현대처럼 평화로운 시대가 없다고 하죠. 현재 중동, 러시아, 우크라이나 전쟁국 외에는 평온해보이나, 모두 알고 있다시피 현재 기술전쟁이 매우 치열하게 펼쳐지고 있습니다. 기술은 점점더 고도화되고, 국가의 경쟁력은 기술과 공급망확보를 통한 주력산업에서 우위를 점하는 것입니다. 이제 국력은 기술력이고, 유망한 기술에 대한 상식을 기반으로 모두 각 분야에서 전문가가 되어 왕성한 활동을 할때 우리나라가 부강하고, 또 경제가 활성화되고 결국 우리도 풍족하고 풍요롭게 살 수 있지 않을까하는 개인적인 생각으로 글을 마무리해봅니다