양자 배터리·센서 마침내 하나로…커질수록 충전 빨라지는 '마법' 현실화

그동안 별개의 영역으로 여겨졌던 ‘양자 에너지 저장’과 ‘양자 상태 생성’을 하나의 장치에서 구현할 수 있는 획기적인 기술이 개발됐다고 양자 컴퓨팅 전문매체 퀀텀 자이트가이스트가 24일(현지시각) 보도했다.

미국 라이스 대학교 바이바브 샤르마 교수와 컬 연구소, 알레산드로 페라로 박사 등으로 구성된 공동 연구팀은 양자 배터리 충전과 양자 자원 생성을 동시에 수행하는 통합 하드웨어 프로토콜을 발표했다.


보도에 따르면 이번 연구의 핵심은 양자 역학의 고유 특성인 ‘얽힘(Entanglement)’을 활용해 배터리 충전 효율을 극대화한 데 있다. 기존 배터리는 용량이 커질수록 충전 시간이 길어지지만, 연구팀이 개발한 양자 배터리는 큐비트(양자 비트) 수가 늘어날수록 충전 속도가 오히려 비례해서 빨라지는 ‘반비례 관계’를 보였다.

이는 여러 큐비트가 독립적으로 작동하는 대신, 얽힘을 통해 하나의 집단처럼 움직이는 ‘집단적 이점(Collective Advantage)’ 덕분이다. 연구팀은 특정 양자 상태를 생성하는 과정이 곧 양자 배터리를 충전하는 과정과 본질적으로 연결되어 있음을 입증했다.

연구팀은 전항이 없는 미세 전기 회로인 ‘초전도 회로’를 이용해 이 통합 시스템을 설계했다. 이 장치는 필요에 따라 에너지를 저장하는 ‘양자 배터리’로 쓰이다가도, 정밀한 측정을 수행하는 ‘양자 센서’로 동적으로 전환될 수 있다.

특히 양자 얽힘이 최고조에 달하는 지점은 배터리 충전이 완료되기 직전에 나타나는데, 이 타이밍을 포착해 장치를 감지 모드로 전환함으로써 양자 자원을 최적으로 수확할 수 있다. 별도의 하드웨어 추가 없이 소프트웨어적 제어만으로 두 가지 기능을 오가는 것이다.


이번 통합 설계는 양자 장치의 크기와 복잡성을 획기적으로 줄여, 미래 모듈형 양자 아키텍처 구축에 기여할 것으로 보인다. 하드웨어 비용 절감은 물론, 원격 양자 센서 전력 공급이나 분산형 양자 컴퓨팅 네트워크 구현에도 유리하다.

다만, 연구팀은 현재의 성과가 아직 제한된 수의 큐비트에서 증명되었다는 점을 인정했다. 향후 과제는 더 많은 큐비트를 통합하면서도 외부 잡음으로부터 양자 상태를 유지하는 ‘결맞음(Coherence)’ 시간을 확보하는 일이다.
연구팀은 “이번 연구는 양자 상태 생성과 에너지 저장 사이의 근본적인 연관성을 밝혀낸 성과”라며, “이 원리를 발전시킨다면 기존 방식으로는 불가능했던 초고효율 에너지 저장 기술의 문이 열릴 것”이라고 강조했다.

양자 기술이 단순한 계산 능력을 넘어 에너지 패러다임까지 바꿀 수 있을지 과학계의 이목이 쏠리고 있다.


이인수 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com