김근수·양범정 교수 연구팀
고체물질 속 전자 양자거리
근사치 넘어 정확하게 측정
큐비트 정밀제어해 정확도↑

입자 간 양자거리를 시각적으로 표현한 그림. 사진 제공=과학기술정보통신부

[서울경제]

양자컴퓨터의 정확도를 획기적으로 높일 수 있는 원천기술이 국내에서 개발됐다. 국내 연구진이 연산 정확도 제고에 필요한 ‘양자거리’를 세계 최초로 정확하게 측정하는 데 성공하면서 현재 양자컴퓨터의 고질적 약점인 오류 문제를 해결하고 고성능을 구현하는 데 기여할 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부는 김근수 연세대 물리학과 교수와 양범정 서울대 물리천문학부 교수 공동 연구팀이 세계 최초로 고체 물질 속 전자의 양자거리 측정에 성공했다고 5일 밝혔다. 연구성과는 3대 국제 학술지인 ‘사이언스’에 이날 게재됐다. 입자가 갖는 양자상태를 정밀하게 제어해 고성능 양자컴퓨터를 개발하려면 정확한 양자거리 측정이 필요하다는 게 연구팀의 설명이다.

양자컴퓨터는 전자를 포함해 매우 작은 입자들이 0과 1의 디지털 정보를 동시에 가지는 ‘큐비트’ 상태로 슈퍼컴퓨터보다 빠른 연산을 할 수 있는 기술이다. 큐비트 입자들이 0과 1을 동시에 가진다고 해도, 입자마다 0의 비중이 큰지 1의 비중이 큰지 그 속성은 제각각 다를 수 있다. 현재 컴퓨터가 0을 1로, 또는 1을 0으로 착각하고 잘못 인식하면 계산 오류가 생기는 것처럼 양자컴퓨터도 큐비트들 사이의 복잡한 차이를 구별하고 제어하지 않으면 정확도를 높이는 데 한계가 있을 수밖에 없다.

양자거리는 이 같은 큐비트 입자들을 서로 구별할 수 있는 척도로 활용될 수 있다. 구체적으로는 작은 입자들이 갖는 에너지·운동량 등의 양자상태가 얼마나 비슷하고 다른지를 나타내는 양으로 m 단위의 일상적 거리와는 다르다. 두 입자의 양자상태가 완전히 똑같으면 양자거리는 0, 완전히 다르면 1이 되며 실제로는 대부분 0과 1사이의 값을 갖는다. 다만 원자 크기가 0.1㎚(나노미터·10억 분의 1m), 전자는 이보다도 훨씬 작은 탓에 이 입자들의 양자거리를 정확하게 측정하는 것은 어려웠다. 양 교수 연구팀이 미국 매사추세츠공대(MIT)와 협력해 근삿값을 구하는 방법을 찾아 ‘네이처 피직스’에 발표한 정도다.

이런 가운데 근삿값을 넘어 정확한 양자거리를 측정하는 방법을 연구팀이 세계 최초로 밝혀낸 것이다. 연구팀은 비교적 단순한 구조를 가진 물질인 흑린을 활용한 연구 끝에 전자의 양자거리가 위상차라는 또다른 성질에 의해 결정된다는 사실을 확인했다. 위상차는 물질에 빛을 쬘 때 나타나는 성질을 확인하는 각분해광전자분광 실험을 통해 비교적 쉽게 측정할 수 있다. 이를 통해 양자거리까지도 알아낼 수 있다는 것이다.

김 교수는 “연구성과가 양자컴퓨터, 양자센서와 같은 다양한 양자 기술 개발을 위한 기초 도구로 활용될 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

김윤수 기자 sookim@sedaily.com

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