오류없는 양자컴퓨터 구현할 ‘키타에프 모델’, 2차원 물질에서 구현했다

박제근 서울대 물리학과 교수 연구팀

아이오딘화 코발트의 구조와 삼각격자에서의 키타에프 모델 도식을 보여주는 그림. 삼각격자에 키타에프 모델을 구현한 이 물질은, 인접한 코발트 이온끼리 인접한 결합을 이루며 각 결합의 종류(빨강, 파랑, 초록 선)에 따라서 수직한 방향으로 스핀을 서게 한다. 서로 수직한 방향으로 스핀을 서게 하려는 상호작용이 물질에 복잡한 양자 상태를 구현하게 한다./과학기술정보통신부

국내 연구진이 오류가 없는 양자컴퓨터를 구현하는 양자 현상인 키타에프 모델을 2차원 물질에서 만드는 데 성공했다.

박제근 서울대 물리학과 교수와 김성진 이화여대 교수 공동 연구팀은 삼각격자 구조의 자성 반데르발스 물질에서 세계 최초로 새로운 양자상태를 발견했다고 29일 밝혔다.

반데르발스 물질은 분자로운 양자상태를 발견하는 연구를 계속 진행하고 있다.

키타에프 모델은 벌집 구조를 가지는 물질에서 나타나는 양자 현상이다. 오류가 없는 양자컴퓨터를 구현할 수 있는 양자상태를 가지기 때문에 전 세계 과학계가 키타에프 모델에 관심을 가지고 연구를 진행 중이다.

연구팀은 자성 물질에 대해 연구를 하던 중에 니켈을 코발트로 치환할 경우 키타에프 모델이 구현되는 여러 조건을 만족한다는 사실을 알았다. 연구팀이 사용한 아이오딘화 코발트는 40여년 전에 합성이 가능하다는 사실이 밝혀졌지만, 수분에 매우 취약해 실제로 물질을 사용하는 데에는 어려움이 많았다. 하지만 연구팀은 자성물질에 대한 연구 노하우를 바탕으로 코발트를 활용해 2차원 삼각격자에서 키타에프 모델을 구현하는 데 성공했다.

연구팀은 이론적으로 밝혀낸 것을 실험으로 증명하기 위해 일본의 ‘J-PARC’ 중성자 시설을 이용해 실험도 진행했다. 비탄성 중성자 산란실험과 스핀파 측정을 실시했고, 이론과 실험 결과가 일치하는 걸 확인했다.

이번 연구 성과는 세계 최초로 2차원 삼각격자에서 키타에프 모델을 실험적으로 구현하는데 성공한 것이다. 이 연구는 과학기술정보통신부 기초연구사업 지원으로 진행됐다. 연구 결과는 국제 학술지 네이처 피직스에 이날 게재됐다.

박제근 교수는 “2차원 물질에서 양자 얽힘이 있는 양자 상태를 발견하는 것은 응집물리나 양자정보 분야에서 매우 중요하다”며 “자성 반데르발스 물질에 대한 연구는 한국이 주도하고 있는데 이번에 또다시 선도적인 연구 성과를 내게 됐다”고 말했다.

참고자료

Nature Physics, DOI : https://arxiv.org/abs/2304.13236

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