오류 없는 양자컴퓨터 구현에 `한 발짝`…삼각 격자 구조 자성물질서 양자상태 발견

박제근 서울대 교수팀, 키타예프 모델 실험적 구현
2차원 자성 반데르발스 삼각격자 물질서 확인

박제근 서울대 교수 연구팀은 삼각격자 구조의 자성 반데르발스 물질에서 새로운 양자상태를 발견했다. 연구팀이 삼각격자에 키타예프 모델을 구현한 물질로, 서로 수직한 방향으로 스핀을 서게 하려는 상호작용이 물질에 양자상태를 구현하게 된다. 서울대 제공

양자 오류가 없는 양자컴퓨터 구현에 한 발짝 다가설 수 있는 삼각격자 구조 자성물질에서 양자상태가 처음 발견됐다.

과학기술정보통신부는 박제근 서울대 교수팀과 김성진 이화여대 교수팀이 공동으로 반강자성 반데르발스 삼각격자 물질(CoI2)를 통해 삼각격자 구조에서 양자물질 상태를 일으키는 키타에프 상호작용이 존재함을 확인했다고 29일 밝혔다.

키타에프 모델은 2차원 물질에서 구현되는 이론적 모델로, 벌집 구조의 격자를 지닌 물질에서 나타나는 양자 현상이다. 그동안 국내외에서 많은 연구자들이 벌집 구조 물질을 이용해 키타에프 모델을 구현해 왔는데, 벌집 구조가 아닌 삼각격자 구조에선 이뤄내지 못했다.

반데르발스 물질은 정전기적 상호작용으로 발생하는 반데르발스 힘으로 결합된 고체로, 분자들이 서로 잡아당기는 힘으로 층간 결합이 이뤄진 2차원 소재를 뜻한다. 삼각격자 구조를 지닌 물질이 양자상태를 가지면 다양한 양자현상이 나올 수 있다는 것이 이론적으로 알려졌지만 실제 물질에서 구현된 적은 없었다.

연구팀은 기존에 니켈 물질을 코발트로 치환하면, 키타에프 모델이 구현되는 여러 조건을 만족한다는 것을 알아냈지만, 수분에 매우 취약해 사용에 어려움이 있었다. 이에 일본의 중성자 시설을 이용해 비탄성 중성자 산란 실험과 스핀파 측정을 통해 2차원 삼각격자에서 키타에프 모델을 실험적으로 구현하는 데 성공했다. 양자컴퓨터에 활용할 수 있는 키타에프 모델을 2차원 자성 반데르발스 삼각격자 물질에서 구현함으로써 양자정보 분야에 널리 활용될 것으로 기대된다.

박제근 서울대 교수는 "2차원 물질에서 양자얽힘이 있는 양자상태를 발견하는 것은 매우 중요하다"며 "국내 연구진이 개척한 자성 반데르발스 물질 분야에서 양자 상태를 세계 처음으로 발견해 이 분야의 연구를 이끌 수 있게 됐다"고 말했다.

이 연구결과는 국제 학술지 '네이처 피직스(28일자)'에 게재됐다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr