[이데일리 강민구 기자] “국내 이론 물리 연구진이 네이처에 게재한 것은 이번이 처음입니다. 그동안 측정하지 못했던 고체의 ‘양자거리’를 측정할 방법을 제시한 것으로 양자컴퓨터의 후보소재 탐색에 활용할 수 있을 것으로 기대합니다.”

양범정 서울대 물리천문학부 교수(기초과학연구원 강상관계 물질 연구단) 교수는 과학기술정보통신부에서 열린 연구성과 브리핑에서 이같이 설명했다. 양 교수는 임준원 IBS 책임연구원, 김규 한국원자력연구원 책임연구원과 함께 고체에서 양자거리 측정이 가능하다는 사실을 처음으로 제시했다.

양 교수는 “평평한 에너지띠를 가진 고체물질에 독특한 에너지준위(란다우준위)가 나타나며, 이를 이용해 양자거리를 잴 수 있다는 사실을 알아냈다”며 “양자거리를 실험적으로 측정하고, 고체를 이용해 양자컴퓨터를 구현할 기본적 아이디어를 제공한 것”이라고 강조했다.

양범정 서울대학교 물리천문학부 교수가 4일 과학기술정보통신부 기자실에서 연구성과에 대한 브리핑을 하고 있다.

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양자거리는 고체 속 두 전자의 양자상태를 비교하는 물리량으로, 양자컴퓨터의 연산과정에서 정보 손실 측정에 활용할 수 있다.

양자역학에서 고체 내 전자는 파동으로 간주한다. 이 파동은 곡률과 양자거리로 나타내는 기하학적 모양을 갖는다. 양자거리는 파동구조의 핵심 요소지만 지금까지 고체에서 양자거리를 측정할 방법이 없었고, 물성으로도 나타나지 않았다.

연구팀은 평평한 에너지띠를 갖는 고체에 자기장을 걸면 에너지 준위가 변하는 것을 이론적으로 발견하고, 이 변화로부터 양자거리를 특정할 수 있다는 사실을 증명했다.

평평한 에너지띠와 곡선 에너지띠가 교차하는 물질에 자기장을 걸면 전자들의 란다우 준위가 확산된다. 연구팀은 에너지 준위 퍼짐은 에너지띠끼리 교차하는 점에서의 양자상태에 달려있다는 사실을 확인했다. 양자거리를 결정하는 양자상태가 실제 물성인 에너지에 영향을 미친 것이다. 양자거리의 최대값이 에너지 준위 퍼짐을 결정한다는 사실도 알아냈다.

연구는 고체 전자의 에너지 준위를 관찰해 양자거리를 정확히 측정할 수 있음을 이론적으로 증명한 것으로 전자 파동의 기하학적 구조와 관련한 새로운 고체 연구를 수행하는 데 활용할 수 있다.

양 교수는 “고체를 양자기하학으로 분석한 기존 연구들은 곡률에 국한돼 있었는데 이번 연구로 양자거리를 측정해 물성을 밝힐 수 있게 됐다”며 “양자정보 분야에 쓰일 새로운 재료를 찾는 데 기여할 것”이라고 말했다.

연구결과는 한국시간으로 6일 0시 국제 학술지 ‘네이처(Nature)’에 게재됐다.