김근수·양범정 교수팀 쾌거
국제학술지 사이언스지 게재
양자컴 오류비율 1%로 높은데
거리 측정하면 확 줄일수 있어

국내 연구진이 측정한 전자 간 양자거리 상상도. 두 개의 노란 공이 전자이고, 두 개의 전자 간 거리를 측정했다. 전 세계 물리학자들이 도전했으나 성공하지 못한 분야다. 김근수 교수

오류가 잦아 상용화하기 어려운 양자기술 분야에서 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 연구팀은 세계 최초로 고체 물질 속 전자의 양자거리를 측정했다는 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.

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. 만약 양자거리를 정확하게 측정할 수 있으면 큐비트가 0과 1 사이에서 어떤 값인지를 정확하게 알 수 있다. 김 교수는 "이번 연구는 양자컴퓨터, 양자센싱 등 다양한 양자기술 전반에 기초 도구로 활용될 수 있을 것"이라고 의의를 부여했다.

이론 연구를 주도한 양 교수는 양자거리 측정법을 이론적으로 제시하고, 대략적인 값을 간접적으로 측정한 바 있다. 김 교수팀은 양 교수의 이전 연구를 참고해 흑린(인 원자들이 여러 개 결합된 2차원 물질)의 전자 간 양자거리를 최초로 측정하는 데 성공했다. 핵심 요소 세 가지도 모두 측정했다.

실제 측정 연구를 주도한 김 교수는 전자들의 광학적 특징에 주목했다. 전자처럼 빛도 파동(전자기파)인데, 수평과 수직 상태의 서로 다른 파동이 교차해 있다. 김 교수는 수평인 빛을 이용하면 양자역학적으로 동일한 전자를 관측할 수 있고, 수직인 빛을 이용하면 양자역학적으로 반대인 전자를 관측할 수 있다는 사실을 발견했다. 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.

양자거리

전자는 공 같은 입자가 아니라 파동처럼 존재하기 때문에 정확한 위치는 알 수 없다. 전자 간 실제 거리를 측정하는 것도 원리적으로 불가능하다. 이론물리학자들은 전자가 갖는 양자역학적 특징이 비슷한 정도를 양자거리라고 명명해 전자 간 차이를 파악한다.

[최원석 기자]

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