<석학과의 만남>37회-NIST 원자광학연구팀 롤스톤 박사(Dr. Rolston)

『내가 아는 한 미래의 컴퓨터 기술 차원에서 양자 컴퓨터 기술 이후의 대안은 없다고 생각합니다. 하드웨어로서 원자를 최종 구성요소로 생각한다면 양자 컴퓨터만이 궁극적인 기술입니다.』

「과학자로서 미래 기술에 대한 전망」을 묻는 질문에 대한 롤스톤 박사의 답이다. 「과연 그럴까」라는 의문이 제기되지만 롤스톤 박사가 굳이 「내가 아는 한」이란 단서를 붙였다는 점을 고려하지 않더라도 미래 컴퓨팅에서 차지하는 양자 컴퓨터 기술에 대한 의미를 역설적으로 표현했다는 점에서 이해할 수 있다.

양자 컴퓨터에 대한 발견은 하드웨어적인 의미의 나노테크놀로지에 미시 세계를 분석하는 양자역학이란 이론을 접목시켰다는 점에서 의미가 있다. 그 결과는 현재 사용하고 있는 컴퓨터의 성능이 상상을 초월하는 수준으로 향상된다.

롤스톤 박사는 지금까지 양자 연산이 가장 발달한 시스템으로 NMR에 의한 기법을 꼽지만 이는 스케일업(scale-up)에 한계가 있다고 말한다. 또 고체내의 격리된 스핀시스템, 초전도체 룹, 단전자 소자 등을 사용하려는 시도도 있으나 이 역시 「디코헤런스 타임(decoherence time)」에 대한 제약이 크다.

그렇다면 제 기능이 구현되는 양자 컴퓨터는 언제쯤 상용화될까. 이에 대한 롤스톤 박사의 답은 공교롭게도 휴렛패커드와 같은 민간기업 연구소의 과학자들과 답이 같다. 롤스톤 박사 역시 『무어의 법칙의 연장선 관점과 현재 양자 연산의 초보적인 기술 수준을 고려한다면 최소한 20년후를 기대해야 할 것』이라고 밝혔다.

롤스톤 박사는 그룹의 궁극적 목표를 두 가지로 설명한다. 국가의 지원을 받고 있는 국책 연구소로 첫째는 양자 연산과 관련한 민간 기업의 연구를 지원하는 역할과 시간 표준화 사업이다.

이를 위해 NIST에서 현재 수행중인 나노테크놀로지와 관련된 대표적인 연구는 「원자광학(atomic-optics)」을 이용한 원자단위의 조작(atomic manipulation) 기술을 들 수 있다. 원자광학이란 파동의 성질을 띠는 빛과 원자를 상호 작용시키는 기술분야로 NIST에서는 가장 정밀한 시간표준 정립에 사용하고 있다. 이밖에도 원자의 파동성을 사용한 원자크기인 0.1나노미터(㎚) 수준의 리소그래피 기술, BEC(Bose-Einstein Condensation) 성질을 활용한 원자 레이저(interferometer) 기술에도 응용이 가능하다. 여기서 BEC란 원자들의 운동에너지, 즉 자유도를 최소화시켜 모든 원자의 상태를 동일하게 하는 거시적인 양자 상태를 가리킨다.

현재 NIST 연구팀은 원자 레이저의 응용기술로 하버드대학의 화이트사이더스(whitesides) 교수 그룹과 공동으로 원자 레이저와 단분자막의 레지스트를 이용해 10㎚ 이하 크기의 패터닝을 위한 새로운 개념의 리소그래피 기술을 연구하고 있다고 롤스톤 박사는 밝혔다. 또한 레이저 광이 분자를 잡아둘 수 있는 성질을 이용해 생체 세포나 바이러스를 집을 수 있는 광 핀셋(optical tweezer) 기술도 개발하고 있다. 원자를 사용한 시스템은 NIST 분원에서 진행중인 1차원 배열의 이온시스템이 있고 여기에서는 원자광학을 이용해 3차원 원자 격자를 이용하려는 연구가 진행중이라고 롤스톤 박사는 소개했다.

NIST는 현재 양자 연산과 관련한 연구에 국가보안국(NSA : National Security Agency)으로부터 연간 100만달러를 지원받고 있다.

<신혜선기자>