국내 연구진, 세계 첫 양자거리 직접 측정 성공

국내 연구진, 세계 최초 양자거리 직접 측정 성공

국내 연구진이 원자보다 훨씬 작은 미시세계의 거리를 수치화해 측정하는 '양자거리' 측정 방법을 세계 최초로 개발하는 데 성공했다. 이번 성과는 양자 컴퓨팅과 양자 센싱 등 다양한 양자기술 발전에 중요한 기초 도구로 활용될 전망이다.

김근수·양범정 교수팀, 고체 속 전자 양자거리 직접 측정

과학기술정보통신부는 김근수 연세대학교 교수 연구팀과 양범정 서울대학교 교수 연구팀이 고체 물질 속 전자의 양자거리를 직접 측정하는 데 성공했다고 5일 밝혔다. 이번 연구는 과기정통부 기초연구사업의 지원을 받아 진행됐으며, 세계 최고 권위의 국제학술지 사이언스(Science)에 6일(현지시간 5일) 게재될 예정이다.

양자거리란 무엇인가

양자거리는 미시세계 입자 간의 양자역학적 유사성을 수치로 나타내는 물리량이다. 두 입자가 완전히 동일한 양자 상태일 때 0, 완전히 다를 때 1의 값을 갖는다. 이는 양자 연산의 정확도 평가와 상태 변화 추적에 필수적인 정보로, 양자 컴퓨팅과 양자 센싱 분야에서 매우 중요하다.

고체 속 전자의 양자거리와 물리 현상

최근 연구에 따르면 고체 물질 속 전자의 양자거리는 물질의 기본 성질을 넘어 초전도 현상 등 복잡한 물리 현상과도 밀접한 관련이 있다. 이에 따라 전 세계적으로 고체 속 전자의 양자거리를 정확히 측정하려는 연구가 활발히 진행되고 있으나, 지금까지는 간접 측정 사례만 보고되었을 뿐 직접 측정 방법은 없었다.

이론과 실험의 협력으로 이룬 성과

이번 연구는 양범정 교수의 이론 그룹과 김근수 교수의 실험 그룹이 5~10년간 쌓아온 전문성을 바탕으로 긴밀히 협력해 이뤄낸 결과다. 양범정 교수 연구팀은 미국 MIT와 협력해 양자거리를 근사적으로 측정한 연구를 네이처 피직스(Nature Physics)에 발표한 바 있으며, 김근수 교수 연구팀은 각분해광전자분광(ARPES)과 흑린에 관한 실험 결과를 지난해 네이처(Nature)에 게재했다.

각분해광전자분광과 흑린 연구

각분해광전자분광은 물질에 빛을 쪼였을 때 튀어나오는 광전자의 에너지와 운동량을 분석하는 실험 기법이다. 연구팀은 구조가 단순한 흑린에 주목해 연구를 진행했다. 양범정 교수 연구팀은 흑린의 단순한 조성과 대칭 구조 덕분에 전자의 양자거리가 위상차에 의해 결정된다는 사실을 밝혀냈다.

위상차와 양자거리 측정

위상차는 파장이 같은 두 파동의 최댓값 사이 위치 간격을 뜻한다. 미시 세계 입자는 파동 성질을 가지므로 전자 파동에도 위상차가 존재한다. 김근수 교수 연구팀은 편광된 빛을 이용한 각분해광전자분광 실험에서 전자 간 위상차에 따라 검출 신호 세기가 달라진다는 점에 착안해 흑린 속 전자의 위상차를 정밀 측정하고, 이를 통해 양자거리를 정확히 추출하는 데 성공했다.

연구 의의와 전망

김근수 교수와 양범정 교수는 "건축물을 안전하게 세우기 위해 정확한 거리 측정이 필수인 것처럼, 오류 없이 정확히 동작하는 양자기술 개발에도 정확한 양자거리 측정이 반드시 필요하다"고 강조했다. 이번 연구 성과는 양자 컴퓨팅, 양자 센싱 등 다양한 양자 기술 전반에 기초 도구로 활용될 것으로 기대된다.