"연구실 나온 양자기술…의료·산업 현장으로 잰걸음"

"양자기술이 연구실을 벗어나 의료와 바이오, 반도체 등 실제 산업 현장으로 응용 범위를 넓히고 있다. 속도가 예상외로 빠르다."

전하넓 충북양자연구센터 연구원은 6일 서울 웨스틴 파르나스에서 열린 ‘AI페스타26 퀀텀 포럼’에서 ‘양자기술의 응용과 Quantum AI’를 주제로 이 같은 양자기술의 산업 응용 사례와 연구 방향을 소개했다.

발표는 양자센싱과 양자최적화, 하이브리드 지능을 중심으로 진행됐다.

충북양자연구센터 전하넓 연구원이 6일 서울 강남구 웨스턴 파르나스 아틀라스홀에서 열린 ‘퀀텀 포럼’에서 주제발표하고 있다. (사진=지디넷코리아)

전 연구원에 따르면, 실제로 극도로 미세한 자기장을 측정하는 양자센서는 이미 의료기기로 활용되고 있다. 양자컴퓨터를 이용해 의료 영상을 재구성하거나 복잡한 최적화 문제를 해결하려는 연구도 진행 중이다. 인공지능(AI)과 양자기술을 결합해 서로의 한계를 보완하려는 ‘퀀텀 AI(Quantum AI)’ 연구도 본격화하고 있다.

최근 주목받는 양자기술은 기존 반도체나 레이저 등에서 활용돼온 양자 현상을 넘어 중첩과 얽힘 등 양자의 고유한 특성을 적극적으로 이용하는 이른바 제2차 양자혁명을 의미한다. 크게 양자컴퓨터와 양자통신, 양자센싱 등으로 나뉜다. 범용 양자컴퓨터와 최적화에 특화된 양자 어닐러부터 양자암호키분배, 양자중계기, 초정밀 센서 등이 주요 연구 분야다.

뇌·심장이 만드는 미세한 자기장까지 읽는다

실생활과 가장 가까운 분야 가운데 하나가 양자센싱이다. 대표적인 기술인 초전도양자간섭장치(SQUID)는 극도로 미세한 자기장을 측정하는 센서로, 암흑물질 검출이나 양자컴퓨터·양자정보 연구, 방사선 정밀 분석 등 첨단 연구에 활용되고 있다.

"응용 범위는 의료 분야까지 넓어졌다. 뇌의 신경전류에서 발생하는 미세한 자기장을 측정하는 뇌자도(MEG)를 비롯해 심자도, 암 진단, 생체분자 검출 등에 활용할 수 있다. 국방·안전 분야에서는 잠수함 탐지와 방사능 감지, 관성항법 등으로 확장 가능하다."

전 연구원은 “양자센서를 이용한 측정은 연구 단계에만 머물러 있는 게 아니라 이미 장비화가 진행돼 산업으로 동작하고 있다”고 설명했다.

전 연구원은 기술 발전으로 센서 자체도 작아지는 추세라고 소개했다.

기존에는 거대한 장비와 자기장을 차단하는 환경이 필요했지만 원자자력계와 다이아몬드 기반 고체 양자소자 등 새로운 방식의 센서 연구가 진행되고 있다는 것.

전 연구원은 "비차폐 환경에서도 뇌의 신경 활동을 측정할 수 있게 되면 뇌에 전극을 직접 연결하지 않는 비침습형 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)로도 응용할 수 있다"며 OPM-MEG 기반 신경활동 측정과 운동 궤적 예측 등을 응용 사례로 제시했다.

전 연구원은 "양자컴퓨터의 활용처도 넓어지고 있다"고 진단했다.

현재 충북양자연구센터에서는 영상·역문제 분야에서 X선 컴퓨터단층촬영(CT) 영상 재구성과 뇌자도 전류원 국지화를 연구하고 있다. 소인수분해와 북극항로 같은 조합 최적화 문제, 자성체의 변화를 분석하는 물리 시뮬레이션에도 양자컴퓨팅을 적용하고 있다.

의료 분야에서는 적은 측정 데이터로 CT 영상을 재구성하는 연구가 대표적이다. 촬영에 필요한 X선 조사량을 줄이면서 영상을 재구성할 수 있다면 반복적으로 CT를 촬영해야 하는 환자의 피폭량을 줄이는 데 활용할 가능성이 있다.

전 연구원은 "방사광가속기에서 물질을 관찰할 때도 X선 조사량을 줄여 시료 손상을 낮추면서 3차원 영상을 재구성하는 방식으로 응용할 수 있다"고 설명했다.

충북 오창 양자연구센터, ‘양자 거점’ 노린다

이 같은 연구를 실제 산업으로 연결하기 위한 거점으로 충북 오창의 역할도 커질 것으로 전 연구원은 전망했다.

충북양자연구센터는 실물 양자컴퓨터를 보유한 연구 환경을 토대로 향후 오창에 들어서는 방사광가속기와 양자컴퓨팅, AI를 연계하는 연구 기반을 구축한다는 구상이다.

방사광가속기는 고순도 양자물질과 새로운 양자소자를 연구하는 데 필요한 핵심 인프라로 꼽힌다.

전 연구원은 방사광 가속기가 주목받는 이유로 미국 에너지부가 선정한 5개 국립양자정보과학기술연구센터 역시 방사광가속기를 보유한 연구소가 주도하거나 참여하고 있다는 점을 꼽았다.

충북양자연구센터 전하넓 연구원이 6일 서울 강남구 웨스턴 파르나스 아틀라스홀에서 열린 ‘퀀텀 포럼’에서 발표를 하고 있다. 사진=지디넷코리아

충북양자연구센터는 방사광가속기와 양자컴퓨터가 배터리·반도체·양자물질 등 소재 분야뿐 아니라 신약·백신 등 바이오, 단층촬영·실시간 진단 등 의료 분야에서 공통된 산업적 활용 가능성을 갖는다고 보고 있다. 여기에 AI를 결합해 세 기술 간 시너지를 끌어내겠다는 구상이다.