국내 연구진, 양자거리 직접 측정 첫 성공... "양자기술 정밀도 향상 기대"

연세대·서울대 공동연구진 발표
전자들 상태 유사성 정량적 판단
양자기술 산업화 위한 기반 기술

김근수 연세대 물리학과 교수가 5일 정부세종청사에서 양자기술 정확도를 높일 수 있는 양자거리 측정 연구 성과를 발표하고 있다. 세종=김태연 기자

국내 연구진이 고체 물질 속에서 전자들이 얼마나 비슷한 상태에 있는지를 직접 측정하는 데 세계 처음으로 성공했다. 이는 양자컴퓨터와 양자센싱 같은 양자기술을 향상시키는 기반 기술이 될 것으로 전망된다.

과학기술정보통신부는 김근수 연세대 물리학과 교수와 양범정 서울대 물리천문학부 교수 공동 연구진이 고체 물질 속 전자의 '양자거리' 측정에 성공했다고 5일 밝혔다. 이전까지는 이론적 계산이나 근삿값을 통해 간접적으로만 측정할 수 있었던 양자거리를 처음 실험을 통해 정량적으로 계산한 것이다. 연구 결과는 6일 국제학술지 '사이언스'에 실렸다.

연세대와 서울대 연구진이 양자거리 개념을 표현한 그림. 노란색 두 개의 공 모양이 전자를 나타내고, 그 주변의 점들은 전자가 파동처럼 퍼져 있음을 의미한다. 전자 간의 유사성을 뜻하는 양자거리는 실제 거리와 다소 다른 개념이지만, 양자거리 측정 연구를 직관적으로 표현하기 위해 자(흰색)를 그려 넣었다. 김근수 연세대 교수 제공

양자거리는 전자와 같은 입자들이 서로 얼마나 비슷한 양자 상태를 가졌는지를 수치로 나타낸 개념이다. 양자물리학에 따르면 입자들은 파동처럼 퍼져 있는데, 파동의 모양이나 방향 등에 따라 상태가 달라진다. 두 입자가 같은 상태면 양자거리는 '0', 다른 상태라면 '1'로 표현된다. 양자기술은 전자의 상태와 그 변화를 정확히 파악해야 구현할 수 있는 만큼, 양자거리는 상태의 유사성을 정량적으로 판단하는 핵심 개념으로 간주된다.

지금까지 양자거리 측정은 간접적으로만 가능했다. 머리카락 굵기의 백만 분의 일 정도에 불과한 미시세계에서 입자들을 직접 측정하기는 어렵기 때문에 일부 간접 측정치만 밝혀져 있었다. 그런데 이번에 연구진이 구조가 단순한 2차원 물질 '흑린¹'을 이용해 전자의 상태 차이가 어떻게 생기는지를 알아냈다. 연구진은 빛의 진동 방향을 달리해 전자의 상태 차이를 측정하고 양자거리도 정확히 계산했다고 설명했다.

연구진은 이 양자거리 측정법이 양자기술에 대한 이해를 높이고, 양자산업 전반의 정밀도와 안정성 향상에 중요한 기초가 될 거라고 의미를 부여했다. 김 교수는 "건축물을 안전하게 세우기 위해 정확한 거리 측정이 필수인 것처럼, 정밀하고 안정적으로 작동하는 양자기술을 개발하려면 양자거리 측정이 필요하다"며 "이번 연구를 양자기술 전반의 기초 도구로 활용할 수 있을 것"이라고 설명했다.

1 흑린

벌집 형태로 배열된 '인(P)' 원소들로 구성된 물질. 까만색을 띠는 인이라는 뜻에서 흑린(黑燐, Black Phosphorus)이라고 불리며, 전류가 잘 흐르고 반도체 성질도 있어 차세대 신소재로 여겨진다.

세종= 김태연 기자 tykim@hankookilbo.com