오늘 소개해드릴 것은 현대 물리학과 반도체 연구에서 흥미로운 주제인 양자 트랜지스터입니다.
양자 트랜지스터는 휴대폰이나 컴퓨터에 있는 스위치와 같은 일반적인 스위치가 아니라 가장 신비로운 형태의 정보인 양자 상태를 제어하도록 만들어졌습니다.
오늘날의 과학계에서는 사람들이 양자 컴퓨팅에 대해 많이 이야기하고 있으며, 그 중심에는 양자 트랜지스터가 있습니다.
양자 트랜지스터를 만드는 방법에는 여러 가지가 있지만 모두 큐비트를 안정적이고 제어 가능하게 만드는 것이라는 한 가지 목표를 공유합니다.
어떤 사람은 전자를 사용하고, 다른 사람은 원자를 사용하며, 어떤 사람은 빛 자체를 사용하기도 합니다.
제 의견을 말씀드리자면, 양자 트랜지스터의 가장 아름다운 부분은 불가능하면서도 시적으로 느껴지는 순수 물리학과 공학을 결합하는 방식이라고 생각합니다.
이제 중첩, 터널링 큐비트, 극저온 논리의 세 가지 중요한 측면을 살펴보겠습니다.
중첩
중첩은 양자 컴퓨팅이 다른 어떤 것과도 다른 점입니다.
고전적인 컴퓨터에서 트랜지스터는 한 번에 "0" 또는 "1" 상태로만 존재할 수 있습니다.
하지만 양자 트랜지스터에서는 중첩 덕분에 큐비트가 두 상태 모두에 동시에 존재할 수 있습니다.
동전을 뒤집고 공중에서 회전하면서 머리와 꼬리를 동시에 보여주는 것과 같습니다.
이 능력을 통해 양자 컴퓨터는 여러 가지 가능성을 함께 처리할 수 있으며, 복잡한 문제를 해결하는 데 놀라운 힘을 발휘합니다.
그러나 중첩은 매우 취약합니다.
작은 진동, 온도 변화 또는 떠다니는 광자도 이를 파괴할 수 있는데, 이를 디코히런스라고 합니다.
과학자들은 이러한 섬세한 균형을 보호하기 위해 수년 동안 방패와 냉각 시스템을 구축합니다.
저는 우주의 작은 것들도 명확하게 생각하기 위해 조용히 유지해야 한다는 생각이 양자 과학의 일부라는 점이 흥미롭다고 생각합니다.
터널링 큐비트
터널링은 트랜지스터가 이상하게 작동하는 또 다른 양자 효과입니다.
고전 세계에서는 입자가 충분한 에너지를 가지고 있지 않으면 장벽을 넘을 수 없습니다.
하지만 양자 세계에서는 전자가 유령처럼 벽을 '터널링'할 수 있습니다.
양자 트랜지스터는 이 현상을 이용해 큐비트를 생성하고 제어합니다.
일부 설계에서는 큐비트의 상태가 전자가 터널링을 하는지 아니면 그대로 유지되는지에 따라 달라집니다.
이를 통해 엔지니어는 위치 또는 전하 차이를 사용하여 "0"과 "1"을 표현할 수 있습니다.
양자점, 조셉슨 접합, 단일 전자 트랜지스터는 모두 터널링에 다른 방식으로 의존합니다.
이상하게 들리지만 작동하며 오늘날의 많은 양자 소자의 핵심입니다.
저에게 터널링은 호기심에 대한 은유처럼 느껴집니다.
벽이 단단해 보일 때에도 자연은 조용하고 보이지 않게 터널링을 통과할 수 있는 방법을 찾습니다.
극저온 논리
극저온 논리는 종종 절대 영도에 가까운 극도로 낮은 온도에서 트랜지스터를 작동시키는 것을 말합니다.
이러한 온도에서는 노이즈가 사라지고 양자 효과가 안정적으로 변합니다.
대부분의 양자 트랜지스터는 초전도 큐비트와 마찬가지로 이 얼어붙은 세계에서만 작동할 수 있습니다.
냉각되면 전자가 쌍을 이루어 저항 없이 움직이며 신호가 완벽하게 통과할 수 있습니다.
하지만 이렇게 낮은 온도에서 작동하는 논리 회로를 구축하는 것은 어렵습니다.
특수한 재료와 배선이 필요하며 소량의 열이라도 모든 것을 망칠 수 있습니다.
극저온 시스템에는 수백만 달러의 비용이 드는 강력한 냉장고와 방 크기의 진공 챔버를 사용해야 합니다.
하지만 이 모든 복잡성에도 불구하고 극저온 논리는 양자 컴퓨터를 가능하게 합니다.
우주의 비밀을 밝히기 위해 우주를 0도에 가깝게 만들어야 한다는 생각은 놀랍다고 생각합니다.
결론적으로 양자 트랜지스터는 엄청난 의미를 지닌 작은 장치입니다.
양자 트랜지스터는 가능성을 유지하기 위해 중첩, 경계를 넘는 터널링, 침묵 속에서 살아가기 위해 극저온 논리에 의존합니다.
이를 구축하는 것은 물리학, 꿈 등 현실의 가장자리에서 균형을 맞추는 것과 같습니다.
양자 트랜지스터에 대해 배울수록 기술은 단순히 속도나 크기가 아니라 상상력에 관한 것이라는 생각이 더 많이 듭니다.
양자 트랜지스터는 가장 춥고 조용한 조건에서도 움직임, 확률, 희망, 즉 우리가 거의 이해하지 못하는 방식으로 생각하는 작은 세상이 있다는 것을 상기시켜줍니다.