"미시세계 물질은 파장으로 존재…파형 위상차로 거리 측정"
방사광가속기 편광분석 활용 측정…양자컴 오류 분석 수월해지나

양자거리 측정 개념도. 두 개의 노란 공은 전자를 나타내며, 그 아래 흰색 눈금은 거리를 측정한다는 의미로 '자'를 표현한 것이다.(김근수 연세대 교수 제공)/뉴스1

(서울=뉴스1) 윤주영 기자 = 머리카락 굵기의 100만분의 1, 원자보다 작은 미시세계의 거리를 수치화할 수 있는 '양자거리' 측정 방법이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

6일 과학기술정보통신부에 따르면 김근수 연세대 물리학과 교수 연구팀과 양범정 서울대 물리천문학부 교수 연구팀은 세계 최초로 고체 물질 속 전자의 양자거리를 측정하는 데 성공했다.

양자거리란 미시세계 입자 간 양자역학적 유사성을 수치로 나타내는 물리량이다. 두 입자가 완전히 똑같은 양자 상태라면 최솟값 0, 완전히 다르면 최댓값 1로 표현된다.

양자거리는 흔히 떠올릴 수 있는 물리적 거리보다는 파형 간 유사성에 가깝다. 미시 세계 입자는 파동적 성질을 지녔기 때문이다.

따라서 물질을 구성하는 전자에도 파동으로 인한 위상차가 존재하게 된다.

그간 양자거리를 정확히 측정하려는 연구가 시도됐지만, 간접 측정만이 보고됐을 뿐이었다. 우리 연구진은 이를 극복하는 방법론을 제시했다.

양자거리 측정 실험 데이터.흑린 속 전자들의 양자거리 분포를 에너지와 운동량에 따라 측정한 실험 데이터다. 흰색은 양자거리가 0이고 검은색은 양자거리가 1이다. 회색 선들은 양자거리가 같은 지점을 0.1 간격으로 이어서 나타낸 것이다.(김근수 연세대 교수 제공)/뉴스1

연구팀은 조성이 비교적 단순하고 대칭 구조를 띠고 있는 물질 '흑린'을 활용했다. 반도체 소자 등에 쓰이는 물질이다.

김근수 교수 등 실험그룹은 각분해광전자분광(ARPES) 기법을 적용했다. 물질에 빛 등을 조사한 뒤, 빛의 입자인 '광자'와 충돌해 튀어나오는 전자 운동량(광전 효과)을 분석하는 것이다.

구체적으론 편광된 빛에서 전자 간 위상차에 따라 검출 신호의 세기가 달라진다는 점에 착안했다. 이를 구현하고자 '어드밴스드 라이트 소스'라는 미국 로렌스 버클리 국립연구소의 방사광 가속기를 사용했다.

김 교수는 "전자기파인 빛은 진행 방향과 진동 방향이 수직인 '횡파'다. 이를 물질에 조사할 시 진동 방향과 입사 평면이 수직을 이룰 시 수직편광, 평행할 시 수평편광"이라며 "수직 편광은 위상차가 정반대인, 즉 양자거리가 서로 먼 전자 상태를 관측할 수 있다. 반대로 수평 편광은 위상차가 적어 거리가 가까운 전자를 측정할 수 있다"고 설명했다.

이론그룹의 양 교수가 닦아둔 선행 연구도 큰 도움이 됐다. 양 교수는 특정 물질에 자기장을 걸 때 생기는 전자의 거동 변화를 통해 양자거리를 측정할 수 있을 거라고 2020년 제시했다. 미국 매사추세츠 공과대(MIT)와 협력을 통해 양자거리를 근사적으로 측정한 결과를 국제학술지 '네이처 피직스'(Nature Physics)에 공개하기도 했다.

연구는 양자컴퓨팅 난제인 오류 정정에도 활용될 여지가 있다. 물질의 중첩 상태 '결맞음'을 활용한 연산 단위 큐비트는 외부 노이즈로 인해 쉽게 붕괴할 수 있다.

김 교수는 "큐비트 결맞음이 무너진 수준을 파악하는 데 양자거리 측정이 도움이 된다"라며 "양자컴퓨팅, 양자센싱 등 관련 기술 전반에도 긍정적인 변화를 일으킬 수 있을 것"이라고 말했다.

한편 과기정통부 기초연구사업(리더연구, 선도연구센터)의 지원을 받은 연구는 국제학술지 '사이언스'(Science)에 6일(한국 시간) 게재됐다.

legomaster@news1.kr

<용어설명>

■ 양자컴퓨팅
양자컴퓨팅(Quantum Computing)은 양자역학 원리를 활용해 기존 컴퓨터로는 처리하기 어려운 복잡한 문제를 빠르게 해결하는 새로운 컴퓨터 기술이다. 기존 컴퓨터가 0 또는 1의 값을 갖는 비트(bit)를 사용하는 반면 양자컴퓨터는 0과 1이 동시에 존재할 수 있는 큐비트(qubit)를 연산의 기본 단위로 사용한다.

■ 결맞음
양자 컴퓨팅 연산단위 큐비트가 상호작용을 하는 상황에서 주요 물리 현상인 얽힘과 중첩을 유지할 수 있는지를 의미한다. 이 얽힘과 중첩이 있기 때문에 큐비트는 기존 컴퓨팅 단위 '비트'와 달리 0과 1의 값을 동시에 구현할 수 있다. 다만 현재 기술로서는 큐비트 규모가 커질수록 결맞음이 쉽게 깨진다.

■ 광자
빛(전자기)은 입자성과 파동성을 가진다. 이 중 입자 개념을 나타내는 용어. 물리학에서 광자는 전자기 에너지의 묶음으로 모든 빛을 구성하는 기본 단위다.

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