양자 컴퓨터로 양자 자성체 극단 특성 구현 성공

KAIST

KAIST는 안재욱 물리학과 교수 연구팀이 덴마크 코펜하겐대 클라우스 뭴머 교수 연구팀과 함께 양자 컴퓨터 플랫폼을 이용해 양자 자성체의 극단적 특성을 구현하는 데 성공했다고 11일 밝혔다.  

자성체 물질은 하드 디스크와 같은 전자제품을 비롯해 전력 발전 등 다양한 곳에 활용된다. 최근에는 양자 특성이 두드러지는 초저온에서 양자 자성체 특성에 관한 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 

자성체 물질을 연구할 때 많은 계산량을 감당할 수 있는 양자 컴퓨터를 이용하는 양자 시뮬레이션이 필요하다. 양자 물질을 연구하거나 설계할 때 기존의 컴퓨터를 이용한 계산은 근본적인 한계를 가지기 때문이다.

또 양자 시뮬레이션을 이용한 양자 자성체 연구는 이전까지 알려지지 않은 양자 물질의 특성들을 실험적으로 확인하는 성과를 보였다. 현재 양자 물질을 시뮬레이션하는 데 극단적인 상황 속 양자 물질의 현상을 관찰하는 일이 중요해졌다.

안 교수 연구팀은 여러 양자 컴퓨터 플랫폼 중 최근 가장 주목을 받는 리드버그 원자 양자 컴퓨터로 양자 자성체를 설명하는 모형 중 하나인 '하이젠베르크 모형'을 모방해 구현했다. 매우 높은 에너지를 머금고 있는 원자인 리드버그 원자는 지름이 일반 원자보다 1만배 큰 ㎛(마이크로미터) 수준이다. 원자 간 상호작용이 일반 원자보다 2배 정도 강하다. 리드버그 원자 양자 컴퓨터는 초고진공상태에 최대 126개 리드버그 원자를 배치해 여러 방향으로 분산컴퓨팅을 수행한다. 

하이젠베르크 자성체 모형은 자성체 스핀 간의 모든 방향 (x, y, z 방향) 상호작용을 가정한 모형으로 양자 자성체의 대표적 모델 중 하나다. 기존 하이젠베르크 모형의 구현 성과와 다르게 이번 연구에서는 리드버그 원자의 강한 상호작용을 이용한 극단적 이방성을 구현하는 데 성공했다. 극단적 이방성이란 3차원 중 특정 방향이 다른 방향 대비 1000배 이상 강하게 상호작용하는 특성이다. 

연구를 주도한 안 교수는 "이번 연구로 양자컴퓨터를 이용하는 물성 연구가 활발해질 것"이라고 말했다. 

안재욱 KAIST 물리학과 교수. KAIST 제공

[이채린 기자 rini113@donga.com]