"고온 초전도체 형성 기전 밝혀지나"…KAIST, 양자얽힘 관측 도전장

측정된 원자들과 홀의 분포. 밝은 파란색이 원자들이 비어 있는 곳에 해당한다.(KAIST 제공)/뉴스1

(대전=뉴스1) 김태진 기자 = 국내 연구진이 양자 시뮬레이터로 양자얽힘 관측에 도전장을 냈다.

한국과학기술원(KAIST)은 물리학과 최재윤 교수 연구팀이 포항공대(POSTECH) 조길영 교수 연구팀과 중성원자 양자 시뮬레이터의 오류 정정 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.

연구팀은 이를 통해 2차원에서의 비국소 질서 변수를 측정함으로써 향후위상 물질과 고온 초전도체 물질 특성을 알아낼 수 있도록 하는 데 성공했다.

고온 초전도물질은 수십 년이 지난 지금도 어떠한 물리적인 작동으로 초전도가 형성하는지 명확하게 규명되지 않았다.

광격자 양자 시뮬레이터는 이러한 문제를 풀기 위한 새로운 접근 방식으로 이미 고전 컴퓨터가 연산할 수 없는 영역에 우위를 보여줬으며, 최근 고온 초전도체에서 관측된 반강자성(스스로 자석처럼 자성을 띠지 않는 물질)을 관측하는 등 미래에 고온 초전도 문제를 풀 수 있는 강력한 후보다.

하지만 양자 시뮬레이터의 큰 단점은 관측 과정 및 양자 상태 준비 과정에서 발생하는 원자 손실과 같은 결함으로 이를 체계적으로 파악하고 정정하는 것이 매우 어렵다는 것이다.

이러한 결함은 특히 위상물질의 특성을 규정짓는 비국소 질서변수를 측정하는데 큰 걸림돌이 되며, 2차원에서는 그 효과가 더욱 커져 큰 시스템에서 비국소 질서 변수의 실험적 관측을 어렵게 만드는 주요 요소다.

일반적으로 관측하는 물리량은 국소성을 띠기 때문에 양자역학적 특이성인 양자 얽힘이 물성을 지배하는 물질인 위상물질의 비국소 질서 변수를 측정하는 것은 간단하지 않다.

특히 2차원, 3차원 물질의 경우 실험적 노이즈에 의해 그 신호가 급격하게 약해지기 때문에 이를 실험적으로 관측하기는 매우 어렵다.

이에 연구팀은 비국소 질서 변수 측정이 가능하고 실험적인 결함도 함께 찾아내는 방법을 개발했다.

또 2차원에서도 양자얽힘의 위상 물질의 물성을 규정짓는 것이 가능함을 보여줬다.

이밖에 시뮬레이터 실시과정에서 발생한 결점까지 제거하는 데 성공한 이후 위상물질의 2차원 비국소 질서변수는 급격하게(100배 이상) 증가하는 양상을 보였으며, 원자 수에 무관하게 측정값이 일정하게 유지되는 것을 확인하는 등 이론적으로 예측된 경향을 모두 확인할 수 있었다.

이 기술은 원거리 상호작용이 주요한 양자 시뮬레이터의 경우 양자 스핀 액상과 같은 2차원 위상 물질의 물성을 규정하는데 적용 가능하며, 고온 초전도체 물질을 흉내 내는 양자 시뮬레이터에도 해당 기법을 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

최재윤 KAIST 교수

최재윤 교수는 “이번 연구는 중성원자 양자 시뮬레이터에 존재하는 실험적 결함을 보정하는 것이 가능함을 보여준 최초의 연구"라며 "향후 위상 양자 연산에 이용되는 양자 스핀 액상과 같은 고차원 위상 물질 발견 및 물성 규정에 주요하게 활용될 것”이라고 말했다.

KAIST 허준혁 연구원과 POSTECH 이원준 학생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 삼성미래기술재단과 한국연구재단의 지원으로 수행됐다.

연구 성과는 국제 학술지 `피지컬 리뷰 X' 12권 1호에 지난 8일 게재됐다.

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