과학기술정보통신부는 올해 ‘탑티어 연구기관 간 협력플랫폼 구축 및 공동연구 지원’ 사업 신규 선정결과를 확정하고 지원을 시작한다고 4일 밝혔다. 탑티어 사업은 국내외 최고 수준의 연구기관끼리 공동연구, 인력교류 및 정보교환 등 포괄적 국제 협력을 통해 중장기적이고 지속가능한 협력 플랫폼 구축을 지원한다. 이를 통해 해외 우수 연구 공동체와 네트워크를 축적하고 확산하는 동시에 세계적 수준의 선도기술을 개발하고 기후위기나 전염병 같은 글로벌 공동 문제 해결을 목표로 한다. 올해 신규 선정된 과제는 4개 국내외 연구기관 컨소시엄으로 연간 23억 원씩의 연구개발비가 10년 동안 지원된다. 우선 서울대와 미국 캘리포니아공과대(칼텍)의 ‘반도체 검사·계측 연구센터’ 공동연구팀은 미래 차세대 반도체 정밀구조 제조·검사에 대응하기 위해 초고해상도·초고속·고신뢰성 계측기술 확보를 목표로 한다. 눈에 보이지 않는 초미세 반도체 내부결함을 찾아내는 비파괴 검사 역량을 높이고 인공지능(AI) 기반 첨단 공정 혁신에도 이바지할 것으로 기대된다. 포스텍과 독일 막스플랑크 연구소 컨소시엄의 ‘양자 기능성 소재 연구센터’는 양자의 핵심 성질을 정밀 제어하는 신소재를 개발해 기존 전자기술의 한계를 뛰어넘을 차세대 양자소자 원천기술 확보에 나설 계획이다. 이를 통해 초저전력 정보처리, 양자 AI정보소자 등 첨단 산업 분야로 성과를 확산하겠다는 계획이다. 대구경북과학기술원(DGIST)와 일본 국립생리학연구소 공동연구팀은 소아 뇌병증 등을 유발하는 이온채널 변이구조와 작동원리를 규명하고 맞춤형 후보물질 발굴을 추진할 예정이다. 카이스트와 미국 칼텍의 ‘지능형 순환 화학 생태계 혁신센터’는 할로젠 화합물, 황폐기물 등 화학산업 부산물을 분해해 고부가가치 화학 제품·소재로 업사이클링하는 기술 확보로 탄소중립 및 순환경제 실현의 핵심 기술로 확장하겠다는 계획을 갖고 있다.

부산시는 1일 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단 주관 ‘2026년 선도연구센터’ 공모에서 ‘부산대 양자 포노닉스(Phononics) 연구센터 과제’가 선정됐다고 밝혔다. 포노닉스는 최소 에너지 단위인 포논 생성과 이동, 제어를 연구하는 첨단 학문 분야를 말한다. 이번에 선정된 과제 내용은 고체 속 원자들이 진동할 때 발생하는 포논을 제어하는 원천기술 개발이다. 포논은 물질 속을 이동하며 열 에너지 흐름을 결정하고 전자와의 상호작용을 통해 양자컴퓨팅에서 큐비트 간 정보를 전달하는 연결 매개체 역할을 한다. 7월부터 2033년 6월까지 국·시비 129억 5000만원이 투입될 이번 과제에는 부산대 이재광 교수를 중심으로 한국과학기술원, 대구경북과학기술원, 포항공과대, 서울대 등 8개 연구 기관이 참여한다. 시는 이번 선정으로 기존 산업 활용 중심의 연구 인프라에 더해 양자소자 국산화 기반이 되는 기초 원천기술 연구 거점을 추가 확보하게 됐다. 이를 계기로 기초 원천부터 양자 산업 활용까지 연계되는 연구 기반을 구축할 계획이다.

국내 양자 산업 거점도시를 향한 대전의 행보가 본격화되고 있다. 시는 3일 한국과학기술원(KAIST)에서 국내 최대 규모인 ‘개방형 양자 팹’ 연구동 기공식과 국가 양자 팹 연구소 개소식을 개최했다. 개방형 양자 팹은 양자소자 개발부터 산업화까지 이어지는 전 주기를 지원하는 국가 양자 기술 핵심 인프라다. 올해부터 2031년까지 국비(234억원)·지방비(200억원) 등 451억원이 단계적으로 투입된다. 시설은 2027년 준공 예정이다. 양자 팹은 전체면적 2500㎡ 규모로 지하 1층·지상 3층에 양자소자 설계와 제작에 필요한 핵심 장비 37종 이상을 갖추게 된다. 이를 기반으로 연구와 산업 현장에서 요구되는 개발·시험·실증 과정을 원스톱으로 수행할 수 있다. 준공 후에는 산업·연구·교육을 아우르는 국가 공동 활용 오픈 팹으로 운영돼 대덕특구를 거점으로 양자 생태계 확장의 중심 임무를 수행할 것이라고 시는 설명했다. 특히 KAIST 양자대학원 등 교육기관과 연계해 실습 중심의 전문 인력 양성 프로그램을 운영하고, 산업계 재직자 대상 교육도 병행해 실무형 양자 인재를 체계적으로 육성할 계획이다. 이장우 대전시장은 “개방형 양자 팹은 양자 산업화 시대를 여는 핵심 기반”이라며 “KAIST와 협력을 통해 대덕특구의 양자 기술 역량을 결집해 세계적 수준의 양자 생태계를 구축하는 한편 양자클러스터 유치 등 후속 사업을 차질 없이 추진하겠다”고 밝혔다.

정부가 미래 경제, 사회, 안보의 게임 체인저로 불리는 양자과학기술 확보를 위해 양자전략위원회를 출범하고 10대 핵심 추진 과제를 제시했다. 정부는 12일 대전 한국표준과학연구원에서 최상목 대통령 권한대행 부총리 겸 기획재정부 장관 주재로 양자 분야 범부처 최상위 심의·의결 기구인 앙자전략위 출범식을 갖고 1차 회의를 열고 10대 퀀텀 이니셔티브 추진 전략을 발표했다. 양자전략위는 국무총리를 의장으로 하고 부위원장은 과학기술정보통신부 장관이 맡고 11명의 양자 분야 산학연 전문가를 민간위원으로, 7개 관계부처 장관을 당연직 정부위원으로 구성된다. 한국은 2014년부터 양자 과학기술 분야 지원을 위한 정책 수립과 법 제정 등에 나서 세계 최고 수준의 양자 중력 센서 개발 같은 성과를 내기도 했지만, 핵심 인력 부족과 산업화 미흡 등이 과제로 지적됐다. 이에 위원회는 ‘연구개발(R&D)을 넘어 산업화로’라는 주제로 △핵심역량 확보 △양자 산업화 기반 마련 △글로벌 협력과 기술 안보라는 세 가지 측면에서 10대 핵심 추진과제를 도출했다. 정부는 양자 기술 분야는 발전 단계에 있기 때문에 패권 국가가 없다는 점에 주목하고 실패를 허용하는 혁신 도전형 R&D를 지원할 계획이다. 또 양자 기술 분야에 대형 R&D 프로젝트를 올해 착수해 1000큐비트 양자컴퓨터, 양자 중계기 기반 양자네트워크, GPS 없는 양자 항법 센서 등을 민간 기업과 함께 개발해 산업 역량을 확보할 방침이다. 박사급 핵심 인력은 양자대학원에서 육성하고, 다양한 연구센터를 중심으로 핵심 인력을 양성하고 물리학뿐만 아니라 반도체, 전기 전자공학, 화학 바이오 등 인접 분야 인력 유입을 추진한다. 특히 정부는 올해를 ‘대한민국 양자 산업화 원년’으로 삼고 양자 소프트웨어와 알고리즘 개발로 산업화 기반을 마련하고, 양자 기술 구현에 필요한 소부장(소재·부품·장비) 산업을 육성해 해외 의존도를 줄이겠다는 계획이다. 이와 함께 양자 분야 특성을 고려한 전용 펀드를 조성하고 유형별 스타트업 육성하고 양자 산업생태계 지원센터를 통해 기술력은 있지만 창업 노하우가 부족한 대학과 정부출연연구기관 연구자들의 창업을 지원함으로써 양자 유니콘을 창출하겠다고 밝혔다. 또 양자소자 제작 공정 기술과 전문인력 확보를 통해 양자 산업화 거점을 구축하겠다는 계획도 제시했다. 양자 기술이 국가 안보와도 직결된다는 점에서 글로벌 협력과 기술 안보 부분도 강화하겠다고 정부는 밝혔다. 주요국 다자 협의체의 한국 유치를 추진하고, 주요국과 인력교류, 인프라 공동 활용, 산업계 협력 강화, 국제 공동 연구 등 다양한 협력을 추진할 계획이다. 또 글로벌 유수 기관과 협력을 통한 퀀텀 프론티어 랩 구축, 글로벌파트너십선도대학 사업 등을 새롭게 추진하며, 국방부, 방위사업청, 과기부 협업으로 미래 전장 대비 R&D를 강화하고 국방 분야 양자암호통신 도입 등을 적극 추진하겠다는 방침을 제시했다. 이날 브리핑에 나선 이창윤 과기부 1차관은 “양자 기술은 미래 경제와 사회, 안보에 지대한 영향을 미치는 기술로 성장 가능성도 큰 분야”라며 “지난해 4월 발표한 퀀텀이니셔티브의 속도감 있는 추진을 통해 신속한 성과를 창출하고 연구·개발된 기술을 산업화로 연결될 수 있도록 할 것”이라고 말했다.

시공간 넘나드는 과학적 원리 핵심기술영향 평가 대상으로 투자 박차美 주도 다자 협의체 13번째 참여국고군분투 속 기술 후발주자로 한계미세한 공정 요구하는 ‘양자소자’반도체로 축적한 우리 인프라 활용양자소자 분야서 기술패권 쥘 수도KIST, 작년부터 개방형 공동 연구내년까지 서울시와 양자랩 설치정부·지자체 전방위 적극 지원도 최근 공개된 넷플릭스 ‘삼체’는 2015년 아시아 최초로 SF 소설계의 노벨상이라고 불리는 휴고상을 수상한 중국 작가 류츠신의 소설을 영상화한 드라마다. 5명의 과학자가 인류의 운명을 결정하는 거대한 위협을 해결하는 모습을 담고 있다. 이 드라마에서 외계인은 다차원의 우주 공간에서 양자 기술을 이용해 순식간에 다른 우주로 이동하거나 지구의 문명에 대한 정보를 실시간으로 주고받으며 인류를 위협한다. 이처럼 양자과학기술은 그것을 연구하는 과학자들만의 관심 대상이 아니라 드라마나 영화의 소재가 될 정도로 일반인들의 관심이 높은 주제다.높아진 관심과 인식은 정부에서 진행하는 기술영향평가 선정결과에도 반영되고 있다. 기술영향평가는 경제·사회적 파급효과가 큰 미래 신기술을 매년 선정해 이 기술이 사회에 미치는 다양한 영향을 사전에 논의하는 장이다. 전문가와 일반 시민들이 위원으로 참여한다. 2001년 과학기술기본법 제정으로 의무화됐고 정부는 2003년부터 주요 미래 기술을 선정해 이를 대상으로 기술영향평가를 실시해 왔다. 최근에는 ‘레벨4 이상의 자율주행’(2021년), ‘합성생물학’(2022년) 등이 논의된 바 있다. 그리고 지난해엔 ‘양자과학기술’이 기술영향 평가 대상으로 논의됐다. 양자기술에 대한 대중들의 높아진 인식이 반영된 것으로, 향후 양자과학기술에 대해 집중적인 투자로 이어질 것임을 예상할 수 있게 한다. 이번 기술영향평가를 통해 양자과학기술의 분야별 파급효과와 그에 따른 정책 제언을 도출했는데 경제 분야에서는 국내 양자 생태계의 조성 및 표준화 연계기술 개발, 사회 분야에서는 상호협력 유도 및 교육 지원, 법률·규제 측면에서는 양자기술 발전을 위한 제도 마련 등이 제시된 바 있다.아쉬웠던 점은 양자과학기술에 대한 여러 의견 가운데 ‘어렵다’는 내용이 여전히 포함돼 있다는 사실이다. 그 와중에 다행인 것은 ‘어렵다’는 의견이 시간이 지날수록 조금씩 줄어들고 있다는 점인데 ‘양자’ 자체에 대한 깊은 이해는 당연히 어려울 수 있지만, 영화나 드라마에서 양자 개념을 이해하는 가운데 양자과학기술에 대한 관심이 생겨나고 있는 것처럼 점점 익숙해지고 있는 추세라는 점은 희망적이다. 양자과학기술 분야의 경우 선진국과의 기술 격차가 크다는 인식은 무겁게 생각해 볼 필요가 있다. 우리나라가 관심을 가지고 양자과학기술을 대하기 시작한 것이 비교적 최근의 일이고 많은 나라들은 이미 오래전부터 깊은 관심과 투자를 계속해 왔기 때문에 2020년 한국과학기술기획평가원(KISTEP)의 기술수준 평가에서도 확인할 수 있었듯이 현재 우리 양자기술은 최고 선도국 대비 62.5% 정도 수준이다.비록 우리나라가 지난해 4월 미국이 양자과학기술 선도국을 중심으로 운영하고 있는 정부 간 양자 다자협의체(일명 ‘2N vs 2N’)에 열세 번째 국가로 참여하는 등 기술격차 해소를 위해 노력하고 있지만 ‘13’이라는 숫자가 나타내고 있듯이 우리는 후발주자다. 빠르게 리딩 기술을 확보해 추월하지 못하면 선진국이 주도하는 협력체계에서 설 자리가 줄어들 것은 불 보듯 뻔하다. 그런 점에서 스위스가 오랜 기간에 걸쳐 축적해 온 나노, 재료, 광학 분야의 기술을 접목해 단기간 내에 양자 강국으로 도약한 사례는 시사하는 바가 크다. 그렇다면 우리는 어떤 길을 택해야 할 것인가. 반도체 공정기술은 우리나라가 현재 세계를 선도하고 있는 분야로 스위스의 나노, 재료, 광학 분야처럼 우리만의 축적된 내공을 보유하고 있다. 그런데 나노미터 크기에서 나타나는 양자현상을 응용한 양자소자는 양자과학기술을 구성하는 기본요소이고 극한의 미시세계를 다루어야 한다. 때문에 현존하는 기술 가운데 가장 미세하고 정교함이 요구되는 반도체 공정기술을 이용해 만드는 것이 최선의 방법이라는 게 학계의 다수가 동의하는 부분이다. 반도체 전문가인 필자는 이와 관련해 이미 구축돼 있는 풍부한 인프라와 다양한 인력풀을 최대한 활용한다면 양자소자 분야에서 우리나라가 지속적인 기술 우월성을 갖고 기술패권 시대를 열어 갈 수 있을 것이라는 조심스러운 기대를 하고 있다. 한국과학기술연구원(KIST)은 지난해부터 연구소와 대학, 산업계의 연구 역량을 결집해 국가 차원의 양자핵심기술 개발을 위한 개방형 양자공동연구사업을 운영하고 있다. 사업에 참여하고 있는 연구자들은 단순히 연구 성과를 공유하는 것이 아니라 기존의 학제·기관 간 경계를 허물고 산업계 수요에 기반한 공동 프로젝트 수행을 통해 문제해결형 원천기술을 확보하는 것을 목표로 하고 있다. 이 과정에서 현장형 전문인력을 지속적으로 양성함으로써 양자 선도국가로 발돋움하기 위한 밑바탕을 튼튼히 다지는 역할 또한 담당하고 있다. 한편 KIST는 2025년까지 서울시와 함께 융합연구를 위한 개방형 양자팹·양자랩 또한 설치할 예정이다.기술영향평가 결과에서도 언급하고 있듯이 양자소자를 반도체 기술을 기반으로 제작하기 위한 기술 외적인 기반도 준비되는 등 분위기가 무르익고 있다. 지난해 10월 31일 제정된 양자과학기술 및 양자산업 육성에 관한 법률(양자기술산업법)이 그 토대가 될 것이다. 이와 더불어 최근에는 경기도가 양자산업과 관련해 조례 제정을 추진하는 등 양자산업에 대한 적극적인 지원은 중앙정부를 넘어 지방자치단체로 확산되고 있다. 얼마 전까지만 해도 모두가 어렵게만 느꼈던 양자과학기술에 대한 개념이 점차 익숙해지고 있는 것처럼 아직은 다소 멀게 느껴지는 선진국과의 기술 격차도 우리가 그동안 축적해 온 반도체 기술 분야의 강점과 오랜 시간 지속적으로 다져 온 개방형 연구체계, 거기에 정부와 지자체의 법률 및 정책적 지원에 이르기까지 전방위적인 지원을 받을 수 있다면 빠른 시간 내에 극복할 수 있다고 생각한다. 누군가는 너무 낙관적이라고 생각할지 모르지만 내 상상 속에서는 이미 KIST에 세워진 양자팹에서 산학연의 전문가들이 모여 반도체 기술을 활용한 다양한 방식의 양자 연구를 수행하고 있는 모습이 그려진다. 김형준 KIST 차세대반도체연구소장 ■김형준 소장은 서울시·과기부 제공초전력 반도체 소자 및 공정 분야 전문가로 KIST에서 17년간 전자·반도체 분야 원천기술 연구를 수행해 왔다. 반도체에 기반한 차세대 컴퓨팅 및 양자 원천기술을 개발하고 있다.

병원에서 초음파 검사나 컴퓨터단층촬영(CT)으로 병변이 발견될 경우 더 정확한 진단을 위해 자기공명영상(MRI)를 촬영한다. MRI는 커다란 자석으로 자기장을 발생시켜 몸 속 수소원자핵을 공명시켜 조직의 물리적, 화학적 특성을 영상으로 만드는 기술이다. 과학자들이 MRI 기술을 활용해 작은 원자 한 개가 만들어 내는 자기장까지 관찰할 수 있는 방법을 개발했다. 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학연구단과 미국 IBM 공동연구팀은 기존의 분자 수준 MRI보다 100배 이상 해상도를 높여 원자 한 개가 만들어 내는 스핀 자기장을 시각화할 수 있는 기술을 개발해 물리학 분야 국제학술지 ‘네이처 피직스’ 2일자에 발표했다. 세상에서 가장 세밀한 MRI를 만들었다는 차원에서 주목받고 있는 연구이다. 일반적으로 병원에서 사용하는 MRI는 촬영을 위해 수 억개의 원자 스핀이 필요하다. 이 때문에 미시세계 연구를 위해 분자 수준까지 측정할 수 있는 자기공명영상 연구는 이뤄져 있지만 해상도가 나노미터 수준이어서 개별 원자를 또렷하게 볼 수 없다. 독특한 분자 구조를 가진 신소재나 양자소자를 연구하기 위해서는 개별 원자 스핀을 시각화하는 것이 필요하다. 연구팀은 주사터널링현미경(STM)에서 해결책을 찾았다. STM은 뾰족한 금속 탐침을 시료 표면을 아주 가깝게 가져간 상태에서 탐침과 시료 사이에 전류를 걸어주면 전자가 에너지 장벽을 넘어 다른 쪽으로 넘어가면서 표면 구조를 관찰할 수 있게 해주는 장치이다. 연구팀은 STM 탐침 끝에 철원자 1~5개를 묶은 스핀클러스터를 부착하는 방법을 만들어 냈다. 스핀의 방향에 따라 자석처럼 서로 끌어당기고 밀어내는 성질에 따라 탐침과 시료원자의 스핀 사이에 자기력이 생겨 탐침이 시료 표면에 더 가까이 접근하고 이것이 원자 한 개를 시각화할 수 있게 한 것이다. 이 같은 방법을 통해 표면 위 원자 하나와 스핀 클러스터 사이의 자기적 공명을 읽는데 성공했다. 이번에 원자 하나의 또렷한 MRI를 촬영한 것은 처음이다. IBS 안드레아스 하인리히(이화여대 물리학과 석좌교수) 단장은 “병원에서 정확한 진단과 치료를 하기 위해서는 MRI 촬영이 필요하듯 물리적 시스템도 정확히 분석해야 변형과 응용이 가능한데 이번 연구는 원자 성질을 스핀 구조라는 새로운 측면에서 확인했다는데 의미가 크다”라고 말했다. 연구를 이끈 필립 윌케 연구위원은 “최근 자성 저장 장치를 포함해 나노 수준에서 다양한 자성 현상이 보고되고 있는데 이번 원자 MRI기술로 고체 표면, 양자컴퓨터의 스핀 네트워크, 생체분자까지 여러 시스템의 스핀 구조를 연구할 수 있게 됐다고 볼 수 있다”라고 설명했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr