연세대·서울대, 양자 오류 난제 해결 실마리 풀었다

머리카락 굵기 백만분의 일 ‘양자거리’ 측정 성공…사이언스 게재

국내 연구진이 머리카락 굵기의 1백만 분의 1에 해당하는 양자 거리 측정에 성공했다.

양자 컴퓨터 대형화의 가장 큰 걸림돌 가운데 하나인 양자 오류 문제를 해결할 단초가 마련된 것이어서 업계 및 학계 관심이 뜨겁다.

과학기술정보통신부는 연세대학교 김근수 교수 연구팀과 서울대학교 양범정 교수 연구팀이 세계 최초로 고체 물질 속 전자의 양자거리 측정에 성공했다고 6일 밝혔다.

이 연구결과는 국제학술지 '사이언스(Science)' 6일자(현지시간 5일 14시)에 게재됐다.

양자거리 측정 개념도. 두 개의 노란 공은 전자를 나타내며, 그 아래 흰색 눈금은 거리를 측정한다는 의미로 ‘자’를 표현한 것이다. 전자 간의 유사성을 의미하는 양자 거리는 실제 거리와 약간 다른 개념이지만 ‘양자거리 측정’을 직관적으로 표현하기 위한 그림이다.(그래픽=연세대)

연세대 김근수 교수는 "건축물을 안전하게 세우기 위해서는 정확한 거리 측정이 필수이듯, 오류없이 정확하게 동작하는 양자 기술을 개발하기 위해서는 정확한 양자거리 측정이 반드시 필요하다"며 이번 연구의 의미를 부여했다.

양자거리는 미시세계(머리카락 굵기의 100만분의 1 이하) 입자들 간 양자역학적 유사성(닮음 정도)을 수치로 나타내는 물리량이다. 두 입자가 완전히 동일하면 0, 완전히 다르면 1의 값을 갖는다.

최근엔 고체 물질 속 전자의 양자거리가 물질의 기본 성질을 표현하는 것을 넘어 초전도와 같이 난해한 물리 현상들과 밀접한 연관이 있다는 것이 밝혀졌다.

전 세계적으로 이를 정확히 측정하려는 연구가 활발한 이유다. 그러나 현재까지는 고체 속 전자의 양자거리를 간접적으로 측정한 사례만 보고됐다. 완전한 양자거리 측정은 미완성 과제였다.

과기정통부는 "기존 한계를 극복하고, 고체 속 전자의 양자 거리를 직접적이고 완전하게 측정한 이번 연구 성과는 양범정 교수 이론그룹과 김근수 교수 실험그룹이 각각 5~10년 동안 꾸준히 발전시켜 온 전문성을 토대로 협력연구 끝에 창출한 성과여서 의미가 크다"고 말했다.

양범정 교수 연구팀은 지난 1월 미국 MIT와 양자거리 측정 결과를 네이처 피직스지(Nature Physics)에 게재했다. 김근수 교수 연구팀은 각분해광전자분광과 흑린에 대한 실험 연구 결과를 지난해 네이처지(Nature)에 게재했다.

양자거리 측정 성공 연구진. 왼쪽부터 연세대 김근수 교수, 서울대 양범정 교수(이상 교신저자), 서울대 김선제 연구생, 연세대 정윤아 박사, 서울대 위팅퀴안 박사후연구원(이상 제1저자).

그러나 이 연구는 이론적인 근사에 의거해 양자거리를 간접적으로 측정한 결과물이라는 한계가 있었다.

반면 이번 연구는 이론적 근사없이 양자거리 네가지 핵심 요소를 완전하게 측정했다는 점에서 기존 연구와 다르다.

양범정 교수는 "흑린이 단순한 조성과 대칭 구조로 인해 전자의 양자거리가 위상차에 의해 결정된다는 사실을 처음 밝혀낸 것"이라며 이번 연구 결과에 대해 설명했다.

위상차는 파장이 동일한 두 파동의 최대값 사이의 위치 간격을 말한다. 미시 세계의 입자는 파동적 성질을 갖기 때문에 전자 파동의 경우에도 위상차가 존재한다.

이후 김근수 교수 연구팀은 각분해광전자분광 실험에서 편광된 빛을 이용하면 전자 간 위상차에 따라 검출 신호 세기가 달라진다는 점에 착안, 흑린 속 전자의 위상차를 정밀하게 측정하고, 이를 통해 양자거리를 정밀하게 추출하는 데 성공했다.

김근수 교수와 양범정 교수는 “이번 연구성과는 양자 컴퓨팅, 양자 센싱과 같은 다양한 양자 기술 전반에 기초 도구로 활용될 수 있을 것"으로 기대했다.

연구는 과기정통부 기초연구사업(리더연구, 선도연구센터)의 지원으로 수행했다.

흑린의 양자거리 분포도. 흑린 속 전자들의 양자거리 분포를 에너지와 운동량에 따라 측정한 실험 데이터로, 흰색은 양자거리가 0이고 검은색은 양자거리가 1이다. 회색 선들은 양자거리가 같은 지점을 0.1 간격으로 이어서 나타낸 것이다.(그림=연세대)