고체 물성 좌우하는 양자 특성 측정 길 열렸다

2020.08.06 00:00

 

양범정 기초과학연구원(IBS) 강상관계물질연구단 교수(서울대 교수)와 임준원 책임연구원, 김규 한국원자력연구원 책임연구원팀은 고체의 ‘양자거리’ 측정 가능성을 세계 최초로 이론적으로 제시해 국제학술지 ‘네이처’ 5일자에 발표했다. 과학기술정보통신부 제공

국내 연구진이 고체 소재의 물성을 좌우하는 양자역학적 특성을 정확히 측정할 수 있다는 사실을 최초로 증명했다. 이는 그동안 측정이 불가능하다고 여겨지던 특성으로, 보안성이 높아 미래 통신 기술로 꼽히는 양자통신이나 특정 과제에서 강력한 연산 능력을 발휘할 수 있는 양자컴퓨터 소재 개발에 도움이 될 것으로 기대된다.

양범정 기초과학연구원(IBS) 강상관계물질연구단 교수(서울대 교수)와 임준원 책임연구원, 김규 한국원자력연구원 책임연구원팀은 고체의 ‘양자거리’ 측정 가능성을 세계 최초로 이론적으로 제시해 국제학술지 ‘네이처’ 5일자에 발표했다.

양자는 원자나 전자 등 입자를 에너지나 스핀 등 양자역학적 특성으로 기술한 상태를 의미한다. 양자거리는 두 개의 양자 상태가 갖는 유사성을 비교하는 물리량이다. 양자의 상태는 파동함수라는 수학으로 설명되는데, 두 양자의 파동함수가 같으면 0의 값을, 서로 수직으로 만나면 1의 값을 갖는 식이다.

양자거리는 고체 속 전자의 파동 특성을 아는 데 필수적이다. 하지만 그 동안 고체의 양자거리는 측정할 방법이 없었고, 이는 고체의 물성 역시 정확히 파악하기 힘들었다. 이는 양자컴퓨터나 양자통신 등의 소재를 개발할 때 큰 걸림돌이었다.

양 교수팀은 운동량과 상관없이 일정한 에너지를 갖는 전자로 이뤄진 고체를 준비한 뒤 자기장을 걸었다. 그 결과 전자가 가진 에너지의 영역(준위)이 퍼지는 현상이 발생하며, 여기에 양자거리의 최대값이 영향을 미친다는 사실을 발견했다. 고체 전자의 에너지 준위를 관찰하면 양자거리를 정확히 측정할 수 있다는 뜻이다.

이번 연구는 고체의 물성을 측정하는 분야와 양자컴퓨터, 양자통신 등 양자정보 분야에 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 임 책임연구원은 “여러 평면 구조의 물질에서 양자거리를 정확히 측정해 물성을 조절할 수 있을 것”이라고 말했다. 양 교수는 “두 개의 양자 상태가 얼마나 닮았는지 측정해 정보 손실을 정량화하는 ‘신뢰도’는 양자정보 분야에서 매우 중요하다”며 “양자거리가 신뢰도와 매우 밀접한 만큼 이들 분야에 새로운 고체 재료를 응용할 가능성이 높아졌다”고 말했다.

• 윤신영 기자ashilla@donga.com和其光 同其塵