'양자 거리' 측정 성공…韓이 원천 기술 개발

김근수·양범정 교수팀 성과
양자컴퓨팅 정밀화 기초 도구
국제 학술지 사이언스紙 게재

‘양자거리 측정’을 직관적으로 표현하기 위한 개념도. 노란 공 두 개는 전자를 나타내며 아래 흰색 눈금은 거리를 측정한다는 의미로 ‘자’를 그렸다. /김근수 연세대 교수 제공

머리카락 굵기의 100만분의 1만큼 작은 세계. 눈에 보이지 않는 미세한 거리를 수치로 정확하게 재는 기술을 국내 연구진이 세계 최초로 개발했다. 양자기술 경쟁이 본격화하는 가운데 극도로 미세한 세계를 정밀 측정할 수 있는 한국발 원천기술이 국제적 존재감을 드러냈다는 평가다.

과학기술정보통신부는 김근수 연세대 교수팀과 양범정 서울대 교수팀이 공동으로 고체 물질 속 전자의 ‘양자거리’를 측정하는 데 성공했다고 5일 발표했다. 양자거리는 전자처럼 작은 입자들이 서로 얼마나 비슷한지 숫자로 표현한 개념이다. 완전히 같은 상태일 땐 ‘0’, 완전히 다르면 ‘1’이 된다.

최근 고체 물질 속 전자의 양자거리가 초전도 같은 복잡한 물리 현상과 밀접하게 연결돼 있다는 사실이 밝혀지며 세계적으로 정밀 측정 기술이 활발하게 개발되고 있다. 하지만 지금까지 알려진 방법들은 간접 측정 방식으로, 고체 안 전자 간 양자거리를 직접 잰 것은 이번이 처음이다.

연구진은 구조가 단순한 ‘흑린’이라는 물질에 주목했다. 양 교수 연구팀은 흑린의 대칭적 구조 덕분에 전자의 양자거리가 ‘위상차’, 즉 전자파 간 어긋남에 의해 결정된다는 사실을 이론적으로 밝혀냈다. 이어 김 교수 연구팀이 편광된 빛을 흑린에 쏘아 전자들의 위상차를 정밀하게 측정하는 데 성공했다. 위상차에 따라 검출되는 신호의 세기가 달라진다는 점을 이용해 전자의 양자 상태를 수치화한 것이다. 쉽게 말해 보이지 않는 전자들이 얼마나 닮았는지 처음으로 눈앞에 꺼내놓은 셈이다.

김 교수와 양 교수는 “건축물을 지을 때 정확한 줄자가 필요한 것처럼 오차 없는 양자기술 개발에도 정밀한 양자거리 측정이 필수”라며 “이번 성과는 양자컴퓨팅, 양자센싱 등 다양한 분야에서 기초 도구로 쓰일 수 있다”고 설명했다. 이번 연구는 세계 최고 권위의 국제학술지 ‘사이언스’에 게재됐다.

강경주 기자