이차원 반도체에서 찾은 새 '양자 상태'…양자정보 흐름 첫 규명

이재동 DGIST 화학물리학과 교수팀이 엑시톤-플로케 합성 상태 연구에 대해 논의하고 있다. DGIST 제공.

양자정보가 실시간으로 추출, 전개되는 과정을 최초로 규명한 연구결과가 제시됐다. 양자컴퓨터 시대를 앞당기기 위한 단서가 될 것으로 기대된다.  

대구경북과학기술원(DGIST)은 이재동 화학물리학과 교수 연구팀이 박노정 울산과학기술원(UNIST) 물리학과 교수와 함께 엑시톤과 플로케 상태의 상호작용을 통해 새로운 양자 상태와 양자정보 추출·제어 메커니즘을 제시했다고 30일 밝혔다. 

엑시톤은 절연체나 반도체 내에 생기는 준입자이고 플로케 상태는 빛을 쪼여 물질 내부의 전자와 빛이 양자역학적으로 결합된 상태를 의미한다.

연구팀은 이차원 반도체 물질을 대상으로 ‘시분해 각도분해 광전자분광’의 이론 계산을 진행해 엑시톤이 형성되는 동안 플로케 상태가 동시에 만들어진다는 점을 확인했다. 엑시톤과 플로케 상태가 결합해 새로운 양자 상태가 형성되는 현상도 확인했다. 

이 과정에서 양자 얽힘이 발생하는 메커니즘을 규명하고 실시간으로 양자정보를 추출, 전개, 제어할 수 있는 방법을 제시했다. 

이차원 단층에서의 엑시톤-플로케 합성 상태를 나타낸 모식도. DGIST 제공.

일반적인 삼차원 고체에서는 열적 효과로 인해 양자 결맞음이 오래 유지되기 어렵다. 양자 결맞음은 양자가 같은 파동으로 움직이는 현상을 의미한다. 반면 이차원 반도체는 핵과 전자의 인력을 약화시키는 효과인 '가림효과'로 인해 엑시톤의 에너지 레벨과 전자가 자유롭게 이동할 수 있는 에너지 대역인 전도대가 크게 분리돼 결맞음이 더 오래 유지될 수 있다. 

이차원 반도체를 활용한 양자정보 소자 개발 가능성이 기대되지만 엑시톤이 형성되는 과정에서 시간이 지나면서 발생하는 전자의 결맞음과 결어긋남에 대한 이해는 그동안 부족했다. 이번 연구는 이차원 반도체에서 엑시톤이 형성되는 과정에 대한 이해를 높여 양자정보 기술을 한층 더 발전시킬 가능성을 높였다. 

이 교수는 “이번 연구를 통해 엑시톤-플로케 합성 상태라는 새로운 양자 상태를 발견했고 동시에 양자 얽힘과 양자정보 추출에 대한 새 메커니즘을 제시했다”며 “향후 이차원 반도체에서의 양자정보 기술 연구에 기여할 것으로 보인다”고 말했다. 

박 교수는 “이번 연구는 양자컴퓨터를 비롯한 양자정보 기술의 새로운 패러다임이 될 것”이라며 “그 구현을 위한 중요한 도약이 될 것으로 기대한다”고 설명했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘나노 레터스’ 10월호에 게재됐다.

<참고 자료> 
doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03100

[문세영 기자 moon09@donga.com]