원자보다 작은 미시세계의 거리를 수치화해 측정할 수 있는 ‘양자거리’ 측정 방법이 국내 연구진에 의해 최초로 개발됐다. 양자의 상태를 정확히 예측해 양자 컴퓨터나 양자 감지(센싱) 등 양자기술의 정확도가 높아질 것으로 전망된다.
과학기술정보통신부는 김근수 연세대 교수 연구팀과 양범정 서울대 교수 연구팀이 세계 최초로 고체 물질 속 전자의 양자거리 측정에 성공했다고 6일 밝혔다. 과기정통부 기초연구사업의 지원으로 수행한 이번 연구 성과는 최고 권위의 국제학술지 ‘사이언스’에 이날 게재됐다.
양자거리는 원자보다 작은 미시세계(머리카락 굵기의 100만분의 1 수준) 입자 간 양자역학적 유사성을 수치로 나타낸 물리량이다. 미시세계에서는 작은 입자의 운동을 양자역학으로 설명한다. 대표적으로 전자가 있으며 전자는 원자를 구성하는 중요 요소 중 하나다.
양자거리는 두 입자가 완전히 똑같은 양자 상태이면 최솟값 0, 완전히 다르면 최대값 1이 된다. 이 정보는 양자 컴퓨팅과 양자 센싱 분야에서 양자 연산의 정확도 평가와 상태변화 추적을 위해 필수적인 요소다.
또 최근 고체물질 속 전자의 양자거리는 물질의 기본 성질을 표현하는 것을 넘어 초전도와 같은 난해한 물리 현상과 밀접한 연관이 있는 것으로 밝혀지는 등 중요도가 커졌다. 전 세계적으로 이를 정확히 측정하려는 연구가 활발히 진행됐으나 지금까지 직접적으로 측정하는 방법은 없었다.
기존 한계를 극복하고 고체 속 전자의 양자 거리를 직접적이고 완전하게 측정한 이번 연구 성과는 양 교수의 이론그룹과 김 교수의 실험그룹이 각각 5~10년 동안 꾸준히 발전시킨 전문성을 토대로 창출해 낸 것이다.
양 교수팀은 흑린의 단순한 조성과 대칭 구조 때문에 전자의 양자거리가 파동의 위상차에 의해 결정된다는 사실을 밝혀냈다.
실험그룹인 김 교수 연구팀은 방사광가속기와 각분해광전자분광을 활용해 전자 간 위상차에 따라 검출 신호 세기가 달라진다는 점을 착안했다. 흑린 속 전자의 위상차를 정밀히 측정해 양자거리를 정밀하게 추출하는데 성공했다. 각분해광전자분광은 물질에 빛을 조사할 때 튀어나오는 광전자의 에너지와 운동량을 분석하는 실험 기법이다. 주로 방사광가속기로 만들어 낸 밝은 빛을 이용한다.
이번 연구는 양자 정보를 정밀하게 재는 방법을 제시하면서 양자 컴퓨팅, 양자 센싱과 같은 양자기술 개발과 다양한 양자산업에 응용될 것으로 기대된다.
김 교수는 전날 세종 과기정통부 청사에서 열린 브리핑에서 “건축물을 안전하게 세우기 위해 정확한 거리 측정이 필수인 것처럼 오류없이 정확하게 동작하는 양자 기술 개발에도 정확한 양자거리 측정이 반드시 필요한 것”이라며 “이번 연구 성과는 양자 컴퓨팅, 양자 센싱과 같은 다양한 양자 기술 전반에 기초 도구로 활용될 수 있을 것”이라고 강조했다.
