“한국이 해냈다, 전세계가 깜놀”…최초로 ‘이것’ 측정했다는데

세계 최초로 양자거리 측정
김근수·양범정 교수팀 쾌거
국제학술지 사이언스지 게재
양자컴 오류비율 1%로 높은데
양자거리 측정해 줄일 수 있어

고체 내에서의 전자의 파동함수인 블로흐파의 기하학적 구조. 양자 거리를 통해서 두 블로흐파 사이의 양자 역학적인 거리가 얼마나 가까운지 또는 먼지 나타낼 수 있다. [사진 = IBS]

양자컴퓨터와 양자센싱 등 차세대 양자기술의 정교함을 높일 토대가 마련됐다. 아직까지 양자기술은 오류가 잦아 상용화하기 어려운데, 국내 연구진이 전자 간의 ‘양자거리’를 세계 최초로 측정하는 데 성공했다. 향후 이 분야의 오류를 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

김근수 연세대 물리학과 교수와 양범정 서울대 물리천문학부 교수 공동연구팀은 세계 최초로 고체 물질 속 전자의 양자거리를 측정했다는 내용의 논문을 6일 국제학술지 사이언스에 게재했다.

양자거리는 전자 간 실제 거리가 아니라 ‘양자역학적 유사도’를 나타내는 개념이다. 전자가 움직이는 미시 세계는 양자역학의 지배를 받는다. 전자는 공 같은 입자가 아니라 파동처럼 예측할 수 없는 형태로 존재한다. 전자의 정확한 위치는 알 수 없고 전자 간 실제 거리를 측정할 수도 없다. 그래서 이론물리학자들은 전자가 갖는 양자역학적 특징이 비슷한 정도를 양자거리라고 명명해 전자 간 차이를 파악한다.

전자들은 모두 비슷한 모양의 파동을 갖지만 파동들의 위치는 조금씩 어긋나 있다. 이 어긋난 정도를 ‘위상차’라고 부른다. 파동이 어긋남 없이 완전히 같으면 양자거리는 0이 되고, 완전히 다르면 양자거리는 1이 된다. 동전 던지기에 비유하면, 우리가 쓰는 비트컴퓨터는 동전이 앞면 아니면 뒷면이라는 결괏값을 내지만 양자컴퓨터 단위인 큐비트는 0과 1 사이에서 무수한 값들을 갖는다. 마치 동전이 회전하고 있는 것과 같다.

빠르게 돌아가고 있는 동전의 상태를 정확히 파악할 수 없기 때문에 현재 양자컴퓨터의 오류 비율은 0.1%~1%로 매우 높은 편이다. 최근 물리학자들은 오류를 줄이기 위해 양자 오류 정정 기술을 연구하는데, 핵심은 큐비트 내 거리를 측정하는 것이다. 오차를 보정하려면 어느 정도 틀렸는지를 알아야 하는 것과 같다. 만약 양자거리를 정확하게 측정할 수 있으면 큐비트가 0과 1 사이에서 어떤 값인지를 정확하게 알 수 있다.

김 교수는 “이번 연구 성과는 양자컴퓨터, 양자센싱 등 다양한 양자기술 전반에 기초 도구로 활용될 수 있을 것”이라고 의의를 설명했다.

이번 연구는 이론 연구팀과 실험 연구팀이 협력해 만들어낸 성과다. 이론 연구를 주도한 양 교수는 양자거리 측정법을 이론적으로 제시하고, 올해 초 대략적인 값을 간접적으로 측정한 바 있다. 그러나 실험을 통해 직접 측정한 것이 아니어서 정확도가 높지 않았고, 양자거리의 핵심 요소 세 가지 중 하나만을 측정하는 데 그쳤다.

이번 연구는 양 교수의 이전 연구를 참고해 흑린(인 원자들이 여러 개 결합된 2차원 물질)의 전자 간 양자거리를 최초로 직접 측정하는 데 성공했다. 핵심 요소 세 가지도 모두 측정했다. 흑린은 구조가 단순하기 때문에 이론적 계산값과 실제 측정값이 잘 맞아떨어진다. 측정을 진행한 김 교수는 이전에도 흑린 전자의 위상차를 측정하는 등 다수의 실험을 진행한 바 있다.

최근 양자기술이 주목받으며 여러 물리학자들이 양자거리 측정을 시도했으나 성공하지 못했다. 김 교수는 전자들의 위상차에서 나오는 광학적 특징에 주목했다. 전자처럼 빛도 파동(전자기파)인데, 수평과 수직 상태의 서로 다른 파동이 교차해 있다는 점에서 특이하다. 편광 필름을 이용하면 이 중 하나의 빛만 분리할 수 있다.

김 교수는 수평인 빛을 이용하면 양자역학적으로 동일한 전자를 관측할 수 있고, 수직인 빛을 이용하면 양자역학적으로 반대인 전자를 관측할 수 있다는 사실을 발견했다. 이에 여러 각도의 빛을 흑린에 쏘면서 전자들이 양자역학적으로 얼마나 다른지, 즉 양자거리를 측정했다.

전자 간 양자거리는 추후 양자기술의 정확도를 높이는 데 사용될 전망이다. 김 교수는 “정교한 측량법이 있어야 정교한 건물을 지을 수 있는 것처럼, 전자 상태를 정교하게 측정할 수 있어야 정교한 양자기술이 가능하다”고 했다.

■ 용어 설명 ▶▶ 양자거리 : 양자역학에 따르면 전자는 공 같은 입자가 아니라, 파동처럼 존재한다. 손에 잡히지 않는 파동이기 때문에 전자의 정확한 위치는 알 수 없다. 따라서 전자 간 실제 거리를 측정하는 것도 원리적으로 불가능하다. 대신 이론물리학자들은 전자가 갖는 양자역학적 특징이 비슷한 정도를 양자거리라고 명명해 전자 간 차이를 파악한다.