서울대연구팀, '양자엔진' 세계 최초 구현, 방식과 세계적 추세

양자 엔진(양자 엔진(양자 열기관·quantum heat engine)) :빛의 압력을 에너지로 이용할 수 있는 세계적인 기술이다. 
 
양자 상태를 정밀 제어하고, 양자 얽힘 및 양자 간섭 등의 양자 역학 특유 성질을 최대치로 활용하는 ‘양자 기술 2.0’이라 할 만한 기술에 대한 연구가 세계적으로 근래 들어 다양하게 활성화되고 있다.
대표적인 예로 양자 컴퓨터, 양자 통신, 양자 센서, 양자 시뮬레이터, 양자 머티리얼 등이 그것인데, 이번 양자 엔진도 그런 류의 연구개발이라고 볼 수 있다. 
 

◎ 세계적 상황

1. 유럽 : 영국, 네덜란드, 독일 등의 유럽의 국가들은 'Quantum Manifesto(양자선언문)'을 발표하고, 10억 유로 이상을 투자하고 있다. 
2. 미국 :  '국가 양자 이니셔티브법'을 제정하기도 하고, 국립과학재단(NSF) 및 에너지부(DoE)는 '양자 정보 과학의 국가전략 개요'를 발표하고, '양자 경제 발전 컨소시엄'도 설립할 정도가 연구 프로젝트가 활발하다. 
3. 중국 : 중국은 괄목할 만한 성과를 많이 보이고 있는 나라라고 할 수 있는데,  국가적 주도로 베이징과 상해를 연결하는 2천 km가 넘는 양자통신 간선 네트워크를 구축하고 인공위성 '묵자'에 의해 양자 암호키를 분배하고, 양자 텔레포테이션 실험을 성공한 바 있으며, 양자컴퓨터 분야에서도  ‘지우장(九章) 2호’ ‘쭈층즈(祖沖之) 2호’를 개발, 양자 초월 실험을 검증하는 등 매우 적극적이다. 
4. 일본 : 문부과학성, 경제산업성, 총무성 등을 통해 추진되어 오다가 2017년부터 문무과학성이 '양자과학시술(광ㆍ양자 기술)의 새로운 추진방법'을 발표하고, 내각부에서는 '향후 이노베이션을 추진하는 데 있어 중요한 세 분야'로 <AI, 바이오, 광ㆍ양자 기술>을 부각시켰고, 2020년에는 일본 최초의 양자기술에 관한 '양자기술 이노베이션 전략'도 발표하였다. 
 
◎ 기업별 상황
1. Google :  2014년에 Martinis의 팀을 흡수하면서 본격적으로 초전도 양자 컴퓨터를 개발하였고, 2019년 10월, 53 큐비트를 탑재한 Sycamore라는 칩을 이용하여 '랜덤 한 양자 회로'로 이루어진 계산을 실행했는데, 슈퍼컴퓨터에서도 1만 년이 걸리는 것을 불과 200초 만에 할 수 있음을 계산적으로 보여주었기에 "양자 초월이 실증되었다"라고 하였다.
2021년 5월, 양자 AI 부문을 총괄팀장인 Hartmut Neven이 2029년까지 100만 큐비트로 이루어진 오류 정정이 가능한 상용 양자 컴퓨터를 구축 목표를 발표한 바 있다. 

2. IBM :  2010년대 6월경에 '양자 비트 디바이스'를 실현, 2016년에 세계 최초로 "클라우드를 통한 양자 컴퓨터"를 공개하였다. 5 큐비트가 탑재된 Canary와 27 큐비트가 탑재된 Falcon, 127 큐비트가 탑재된 Eagle을 포함한 20대 이상의 시스템이 클라우드에서 상용화 되어 있고,  2022년에는 433 큐비트를 탑재한 Osprey를, 2023년에 1121 큐비트를 탑재한 Condor를 상용화를 계획하고 있다. 

 
◎ 한국의 상황

2014년도에 ‘양자정보통신 중장기 추진전략’을 발표, 국가 차원의 양자연구를 시작했으며, 2021년 4월에는 국가의 미래 전략기술 확보를 위한 방안으로 '양자기술 연구개발 투자전략'을 확정하고, 도전적인 원천기술 개발을 강화시키고 있다. 

▲양자 프로세서 등 양자 컴퓨팅ㆍ통신ㆍ센서별 도전적 원천기술 개발 강화, ▲50큐비트급 한국형 양자컴퓨팅 시스템 조기 구축(~‘24) ▲양자 핵심연구자를 현재 150명 수준에서 ‘30년 1,000명까지 확대, ▲주력산업 중심으로 민관 파트너쉽 기반의 문제해결 프로젝트 추진에 중점을 두고 있다.

그런 가운데, 한국의 연구진(서울대학교 안경원 물리천문학부 교수 연구팀)이 '빛(超放射, superradiance)으로 동작하는 양자엔진'을 세계 최초로 구현에 성공하였음을 'Nature Photonics'에 실었다. (https://www.nature.com/articles/s41566-022-01039-2, 2022년 7월 21일, 논문제목 :A photonic quantum engine driven by superradiance)

'초방사(超放射, superradiance)'란 에너지가 높은 또는 들뜬상태(excited state)의 원자들 간에 결맞음이 발생하며 강한 빛을 내는 현상을 말함이다. 이런 초방사가 강압을 통해 양자 열기관을 동작시킬 수 있을 거란 이론(대표적 연구 : Rochester의 물리학 교수인 Andrew Jordan , 프랑스와 워싱턴대학교 세인트루이스에서 공동연구) 이 제기되어 왔는데, 누구도 실질적인 물리적 실현은 이룩해내지 못했던 것을 '안 연구팀'은 이번에 구현한 것이다.  

&lt;초방사 열기관구현을 위한 실험 모식도 : 초방사엔진을 위한 광학적 설계, 출처 :네이쳐캡쳐&gt;

위의 그림에서 보면, 주황색 총알 모양의 원자가 y축 방향으로 날아가고, 나노구멍 격자망을 통과하여 상태 제어용 레이저(자홍색 빛)에 의해 강한 빛을 방출할 수 있는 초방사 상태(양자 중첩 상태)로 활성화됨을 볼 수 있다. 

이를 통해 엔진속도가 약 40배 증가하였고, 엔진 출력은 원자분 사율을 통해 2배 증가함을 입증한 것이다. 연구팀은 이 기술을 통해 엔진 출력을 높이는데 활용 가능하다. 

 

그 과정을 조금더 자세히 보면

우선 원자가 통과할 수 있는 나노(nm) 단위의 '체'를 만들었다.

'체'는 10㎚의 실리콘 나이트라이드 박막에 280㎚ x 190㎚ 크기의 구멍 1천여 개를 체스보드 패턴으로 뚫어 만들었다. (나노구멍의 간격은 바륨 원자가 내는 빛의 파장(근적외선)인 791㎚)

'체'에 초속 800ｍ의 바륨 원자 빔을 입사시키고, 수직 방향으로는 상태 제어용 레이저를 쐈다. 이때 구멍을 통과하는 원자들은 양자 중첩 상태에서 동일한 위상을 갖게 되면서 보강 간섭을 일으키고, 초방사할 준비를 하게 된다.

이후 원자는 공진기를 통과하며 빛을 방출하고, 빛은 엔진 내부 양쪽에 설치된 거울을 100만 번 정도 오가며 거울에 작용하는 압력(광압)을 높이고, 압력이 높아지면 공진기가 팽창한다.

한편, 수축할 때에는 공진기와 레이저의 상대적인 주파수를 조절해 원자 간 결맞음이 일어나지 않게 했다. 그러면 원자 파동 간 상쇄 간섭이 일어나며 공진기가 냉각된다.

빛의 압력으로 거울은 엔진의 피스톤 역할을 하며 움직인다. 이렇게 만들어진 엔진의 온도는 최고 150,000˚C, 효율은 98%가 달성되었다.  이때 레이저를 통해 원자들의 양자 위상을 제어하여 원자들이 빛을 강하게 방출하는 현상을 빠르게 켜고 끌 수 있도록 하였다. 이런 방법으로 원자가 방출한 빛의 압력에 의해 가열, 팽창, 냉각, 수축 등에 따라 양자 엔진이 잘 동작하는 것을 관측하였다. 

 

레이저를 활용해 원자들의 양자 위상을 정밀하게 제어함으로써, 원자들이 빛을 강하게 방출하는 현상을 빠르게 조절할 수 있음을 실제 실험을 통해 입증한 것이다. 

 

양자역학 원리로 작동하는 양자 엔진은 고전 열역학 법칙을 따르는 것이 아니므로, 이론적으로는 고전 열역학법칙에 따른 엔진(열기관)의 최대 효율인 '카르노(Carnot) 효율'을 넘어설 수도 있다. 

 

안경원 교수

"이번 연구성과는 빛으로 동작하는 초방사 양자 엔진을 실험적으로 구현한 첫 사례"라며 "원자물리 및 양자정보처리 등의 분야에 기여하였을 뿐 아니라, 엔진의 효율을 획기적으로 높일 수 있는 길을 제시하였다는 점에서 의의가 크다"