'고체 물리량 양자거리 잰다'

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IBS연구팀의 서울대 양범정 교수 "양자컴퓨팅 신뢰도 향상·양자 소재 탐색 활용 기대"

(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 그동안 측정이 불가능했던 고체의 에너지나 스핀 등 양자상태 차이(양자거리)를 특정 물질에 자기장을 걸 때 나타나는 전자의 거동변화를 이용해 측정할 수 있다는 사실을 처음으로 밝혀냈다.

양자거리를 측정할 수 있으면 두 양자상태 차이를 이용해 정보를 처리하는 양자컴퓨팅 등에서 일어나는 양자정보 손실을 측정하고 특성이 우수한 양자소재 탐색도 가능할 것으로 기대된다.

기초과학연구원(IBS) 강상관계 물질 연구단 양범정 교수(교신저자. 서울대 물리천문학부)·임준원 책임연구원(제1저자)·한국원자력연구원 김규 책임연구원(공동저자) 연구팀은 6일 '네이처'(Nature)에서 측정이 불가능했던 고체의 '양자거리'를 측정하는 방법을 최초로 제시했다고 밝혔다.

전자의 파동함수인 '블로흐파'와 양자거리
고체 내에서의 전자의 파동함수인 블로흐파의 기하학적 구조. 양자 거리를 통해서 두 블로흐파 사이의 양자 역학적인 거리가 얼마나 가까운지 또는 먼지 나타낼 수 있다. [IBS 제공. 재판매 및 DB 금지]

양자거리는 두 개의 양자상태 사이의 양자역학적 차이(거리)를 나타낸다. 두 양자상태가 비슷하면 거리가 가깝고 두 양자상태가 서로 다를수록 거리가 멀어진다.

양자정보의 기본단위인 큐비트에서 두 양자상태의 스핀 방향이 모두 업(up)이면 양자거리는 0이고, 스핀이 하나는 업(up), 하나는 다운(down)으로 반대면 양자거리는 1이 된다. 정보처리 과정에서 양자거리가 변하면 신뢰도가 떨어지기 때문에 양자거리는 양자컴퓨팅에서 신뢰도를 높이는 데 중요한 의미를 지닌다.

양자역학에서 고체 내 전자는 곡률과 양자거리로 나타내는 기하학적 모양의 파동으로 간주하며, 양자거리는 파동구조의 핵심 요소지만 지금까지 고체에서 측정할 수 있는 방법이 없었고, 물성으로도 나타나지 않아 크게 주목받지 못했다.

자기장 하에서 평평한 에너지띠의 란다우 준위 변화
(왼쪽) 자기장이 없을 때의 평평한 에너지띠 구조. 평평한 띠 아래쪽 회색 에너지 영역이 띠틈으로, 원래 전자는 이 띠틈에 해당하는 에너지를 가질 수 없다. [IBS 제공. 재판매 및 DB 금지]

연구팀은 이 연구에서 '평평한 에너지띠'를 갖는 고체에 자기장을 걸 경우 에너지 준위가 변하는 것을 이론적으로 발견하고, 이 변화로부터 양자거리를 측정할 수 있다는 것을 증명했다.

'평평한 에너지띠'는 고체 속 전자가 운동량에 상관없이 일정한 에너지를 갖는 것을 의미한다. 일반적인 고체는 전자의 에너지가 운동량에 크게 의존하는 복잡한 곡선 에너지띠를 갖는다.

평평한 에너지띠를 갖는 2차원 카고메 격자와 에너지띠 구조
(왼쪽) 카고메 격자 구조. (오른쪽) 카고메 물질 속 전자들의 전체 에너지띠 구조. XY 평면은 운동량을, Z축은 에너지를 가리킨다. 아래쪽 평면이 평평한 에너지띠를 나타낸다. 연구진은 이 평평한 에너지띠의 독특한 란다우 준위를 연구했다. [IBS 제공. 재판매 및 DB 금지]

이들은 평면형태의 순환 그래핀과 카고메 격자물질 등 '평평한 에너지띠'와 '곡선 에너지띠'가 교차하는 물질에 자기장을 걸 때 전자들의 에너지 준위(란다우 준위)가 넓게 퍼지는 현상을 발견했다.

또 이런 에너지 준위 퍼짐은 에너지띠끼리 교차하는 점에서의 양자상태에 달려있다는 사실도 밝혀냈다. 이는 양자거리를 결정하는 양자상태가 실제 물성인 에너지에 영향을 미친다는 것을 뜻하는 것으로, 양자거리의 최댓값이 에너지 준위 퍼짐을 결정한다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 이 연구에서 고체 전자의 에너지 준위를 관찰해 양자거리를 정확히 측정할 수 있음을 이론적으로 증명했다며 전자 파동의 기하학적 구조와 관련한 새로운 고체 연구의 장을 열 것으로 기대한다고 밝혔다.

논문 제1저자인 임준원 책임연구원은 "이 연구를 활용하면 여러 이차원 물질에서 파동함수의 양자거리를 정확히 측정하고 관련 물성을 조절할 수 있다"고 말했다.

양범정 교수는 "고체를 양자기하학으로 분석한 기존 연구들은 곡률에 국한돼 있었는데 이번 연구로 양자거리를 측정해 물성을 밝힐 수 있게 됐다"며 "'양자거리' 개념은 양자컴퓨터 후보 소재들을 탐색하는 데 널리 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

왼쪽부터. 기초과학연구원 강상관계 물질 연구단 양범정 교수(교신저자. 서울대 물리천문학부)·임준원 책임연구원(제1저자)·한국원자력연구원 김규 책임연구원(공동저자)[IBS 제공. 재판매 및 DB 금지]

scitech@yna.co.kr

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