국내 연구진이 측정이 불가능했던 고체의 '양자거리' 측정법을 세계 최초로 제시했다. 양자거리는 목표했던 양자상태와 실제 양자상태의 차이를 의미한다. 측정이 가능해지면 양자통신과정 혹은 양자컴퓨터 연산과정의에서 발생하는 양자정보의 손실을 파악할 수 있다.
양범정 기초과학연구원(IBS) 강상관계 물질 연구단 교수(서울대 물리천문학부 교수)는 임준원 책임연구원, 김규 한국원자력연구원 책임연구원과 세계 최초로 양자거리 측정법을 제시했다. 연구결과는 6일(현지시간) 네이처에 논문으로 게재됐다. 순수 이론 분야에서 네이처에 논문을 게재하는 일은 드물 정도로 이번 성과의 파급이 크다는 평가다.
양자상태는 에너지, 스핀 등 양자역학적으로 본 입자의 상태로 정보를 담고 있는 두 파동함수의 유사성을 나타내는 물리량이다. 서로 같을 때 0, 서로 직교할 때 1로 표기한다.
양자역학에서 고체 내의 전자는 파동으로 간주한다. 양자거리는 파동구조의 핵심 요소지만 지금까지는 고체에서 양자거리를 측정할 방법이 없었고, 물성으로도 나타나지 않아 크게 주목받지 못했다.
연구진은 평평한 에너지띠를 갖는 고체에 자기장을 걸어서 양자거리 측정이 가능하다는 것을 세계에서 처음으로 규명했다. 자기장을 걸면 에너지 준위가 변하는 것을 이론적으로 발견하고, 이 변화로부터 양자거리를 특정할 수 있다는 것을 증명했다.
평평한 에너지띠와 곡선 에너지띠가 교차하는 물질에 자기장을 걸면 전자의 에너지 준위가 퍼짐을 밝혔다. 양자거리를 결정하는 양자상태가 실제 물성인 에너지에 영향을 미친 것으로 이에 착안해 양자거리의 최대값이 에너지 준위 퍼짐을 결정함을 밝혀냈다. 에너지 준위 퍼짐은 에너지띠끼리 교차하는 점에서의 양자상태에 달려있음를 관찰해 양자거리를 정확히 측정할 수 있음을 이론적으로 증명했다.
이번 연구 성과로 인해 전자 파동의 기하학적 구조와 관련한 새 고체 연구의 장이 열릴 것으로 기대된다. 여러 이차원 물질에서 파동함수의 양자거리를 정확히 측정하고, 관련 물성을 조절할 수 있게 됐다.
양범정 교수는 “고체를 양자기하학으로 분석한 기존 연구는 곡률에 국한된 반면, 이번 연구로 양자거리를 측정해 물성을 밝힐 수 있게 됐다”면서 “나아가 양자정보 분야에 쓰일 새로운 재료를 찾는 데 기여할 것”이라고 밝혔다.
최호기자 snoop@etnews.com
