‘머리카락 100만분의 1’ 양자거리 측정, 韓이 첫 성공

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김근수-양범정 교수팀 세계 최초
국제학술지 ‘사이언스’에 발표
양자컴 연산 정확도 높이는데 활용
초전도체 현상 분석에도 기여할듯

국내 연구진이 머리카락 굵기의 100만분의 1에 해당하는 미시세계의 거리를 수치화해 측정할 수 있는 ‘양자거리’ 측정법을 세계 최초로 개발했다. 이번 연구는 양자컴퓨터 및 양자 센싱 등의 연산 정확도를 높이는 데 활용될 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부는 5일 김근수 연세대 물리학과 교수팀과 양범정 서울대 물리천문학부 교수팀이 세계 최초로 고체 물질 속 전자의 양자거리 측정에 성공했다고 밝혔다. 이 연구는 국제학술지 ‘사이언스’ 6일자에 발표됐다.

미시세계에 존재하는 전자들은 우리가 살고 있는 거시세계와는 다른 ‘양자역학’의 법칙이 적용된다. 이 세계에서는 전자가 넓은 공간에 파동처럼 움직여 전자의 위치를 가늠하기가 어렵다. 이 때문에 미시세계에서는 전자들의 파동 형태(양자역학적 상태)가 비슷하면 서로 매우 가까운 거리에 있다고 판단한다.

이런 맥락에서 양자거리는 전자들의 파동 형태가 얼마나 유사한지를 수치화한 것이다. 똑같은 상태면 0, 완전히 다르면 1의 값을 갖는다. 양자거리가 0에 가까울수록 두 전자는 가까이 있다고 유추할 수 있다.

양자거리의 개념은 과거부터 있었지만 그 중요성이 알려진 것은 2년여 전부터다. 양자컴퓨터, 양자 센싱 등 다양한 양자 기술에서 양자거리를 측정하면 연산의 정확도를 평가할 수 있다는 것이 여러 연구를 통해 증명됐기 때문이다. 또 초전도체와 같이 원인이 정확히 밝혀지지 않은 물리적 현상들을 분석하는 데도 기여할 것으로 기대된다.

국내 연구진은 비교적 구조가 단순한 2차원 반도체 흑린(黑燐)을 이용해 양자거리 측정을 시도했다. 이론을 담당한 양 교수팀은 전자의 양자거리가 위상차(파동의 위치 차이)에 의해 결정된다는 사실을 확인했다. 실험을 담당한 김 교수팀은 각분해광전자분광 실험 방식을 이용하면 전자 간 위상차에 따라 검출 신호의 세기가 달라진다는 점을 확인했다. 이어 전자의 위상차를 관측해 양자거리를 정밀하게 측정하는 데 성공했다.

김 교수는 “건축물을 안전하게 세우기 위해 정확한 거리 측정이 필요한 것처럼 오류 없이 정확히 동작하는 양자 기술 개발에도 정확한 양자거리 측정이 필요하다”고 연구 의의를 밝혔다.

최지원 기자 jwchoi@donga.com