KAIST, 양자 시뮬레이터로 '양자얽힘' 관측 도전

최재윤 교수 공동 연구팀, 고온 초전도체 물질 이해 발판 마련

(대전=연합뉴스) 정찬욱 기자 = 한국과학기술원(KAIST) 물리학과 최재윤 교수 연구팀은 포항공대 조길영 교수팀과 함께 중성원자 양자 시뮬레이터 오류 정정 기술을 개발해 2차원에서의 양자물리학 '비국소' 질서 변수를 최초로 측정했다고 29일 밝혔다.

이는 향후 위상 물질과 고온 초전도체 물질 특성을 알아낼 수 있도록 하는 데 성공한 것이라고 연구팀은 설명했다. 고온 초전도물질은 어떤 물리적 작용으로 초전도가 형성되는지 명확하게 규명되지 않은 상황이다.

양자 시뮬레이터는 관측 과정과 양자 상태 준비 과정에서 발생하는 원자 손실과 같은 결함때문에 이를 체계적으로 파악하고 정정하기가 매우 어렵다는 단점이 있다.

특히 위상 물질(topological matter)의 특성을 규정짓는 비국소 질서 변수를 측정하는 데 큰 걸림돌이 되고, 2차원에서는 그 효과가 더 커져 큰 시스템에서 비국소 질서 변수의 실험적 관측을 어렵게 하는 주요 요소로 작용한다.

연구팀은 양자 시뮬레이터에 비국소 질서 변수를 측정할 수 있고, 실험적인 결함도 함께 찾아내는 방법을 개발했다.

또 2차원에서도 '양자 얽힘'(entanglement) 위상 물질의 물성을 규정짓는 것도 가능함을 보여줬다.

시뮬레이터 과정에서 발생한 결점까지 제거하자 위상 물질의 2차원 비국소 질서 변수가 급격하게(100배 이상) 증가하는 양상을 보였고, 원자 수에 무관하게 측정값이 일정하게 유지되는 것을 확인하는 등 이론적으로 예측된 경향을 모두 확인했다고 연구팀은 설명했다.

최재윤 교수는 "이번 연구는 중성원자 양자 시뮬레이터에 존재하는 실험적 결함을 보정하는 게 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.

이번 연구 결과는 국제 학술지 '피지컬 리뷰 X' 14권 1호에 지난 8일 실렸다.

jchu2000@yna.co.kr

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