[R&D르네상스] 양자거리 측정 가능성 세계최초 제시
[R&D르네상스] 양자거리 측정 가능성 세계최초 제시
  • 정이레 기자
  • 승인 2021.01.11 17:45
  • 댓글 0
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고체물성의 핵심인 양자거리 측정 가능성을 세계최초로 제시
네이처에 논문 발표… 양자컴퓨터 소재 탐색에 활용 기대
박소연 기자 psy@monthlypeople.com
박소연 기자 psy@monthlypeople.com

기초과학연구원(IBS) 강상관계 물질 연구단 양범정 교수(서울대 물리천문학부)는 임준원 책임연구원, 김규 한국원자력연구원 책임연구원과 함께 측정할 수 없었던 고체의 양자거리를 측정하는 방법을 세계최초로 제시하였다.

 

양자 거리란 두 개의 양자 상태 사이의 양자역학적인 거리를 정의하는 양으로, 두 양자 상태가 서로 비슷할수록 거리는 가까워지고, 두 상태가 서로 다를수록 거리가 멀어지는 특성이 있다. 또한, 양자 거리는 양자 정보 분야에서 중요한 개념 중 하나인 신뢰도(fidelity)라는 양과 매우 밀접하게 연관되어 있다. 신뢰도란 두 개의 양자 상태가 얼마나 닮았는지를 측정하는 양으로, 양자 통신 과정에서 정보의 손실이 얼마나 있었는지를 정량화한 개념이다.

양자컴퓨터의 성능은 신뢰도가 높을수록 좋다. , 신뢰도 값을 알아낼 수 있는 양자 거리의 측정은 양자컴퓨터 분야에서 중요한 의미를 지니며 고체물리 분야의 측면에서도 양자 거리의 측정은 큰 의미가 있다. 따라서 이번 연구진이 제시한 고체의 양자거리를 측정하는 방법은 그간 목표했던 양자상태와 실제 양자상태의 차이 즉, 양자통신과정 혹은 양자컴퓨터 연산과정의 양자정보 손실을 측정할 수 있을 것으로 기대된다.

양자역학에서 고체 내의 전자는 파동으로 간주하는데, 이 파동은 곡률과 양자거리로 나타내는 기하학적 모양을 가진다. 양자거리는 파동구조의 핵심 요소지만 지금까지는 고체에서 양자거리를 측정할 방법이 없었고, 물성으로도 나타나지 않아 크게 주목받지 못했다. 이에 연구진은 평평한 에너지띠를 갖는 고체에 자기장을 걸어서 양자거리 측정이 가능하다는 것을 세계에서 처음으로 밝혀내었다.

 

고체 내에서의 전자의 파동 함수인 블로흐 파의 기하학적 구조. 양자 거리를 통해서 두 블로흐 파 사이의 양자 역학적인 거리가 얼마나 가까운지 또는 먼지 나타낼 수 있다. [사진=과기부]
고체 내에서의 전자의 파동 함수인 블로흐 파의 기하학적 구조. 양자 거리를 통해서 두 블로흐 파 사이의 양자 역학적인 거리가 얼마나 가까운지 또는 먼지 나타낼 수 있다. [사진=과기부]

연구진은 평평한 에너지띠와 곡선 에너지띠가 교차하는 물질에 자기장을 걸면 전자들의 에너지 준위(란다우 준위)가 퍼짐을 발견했다. 이어서, 이 에너지 준위 퍼짐은 에너지띠끼리 교차하는 점에서의 양자상태에 달려있음을 밝혔다. 양자거리를 결정하는 양자상태가 실제 물성인 에너지에 영향을 미친 것이다. 이에 착안해 연구한 결과, 양자거리의 최댓값이 에너지 준위 퍼짐을 결정함을 밝혀내었다.

 

이를 통해 양자 거리와 관련된 고체의 여러 물성을 밝히고 이를 실험으로 측정하기 위한 수많은 후속 연구들이 행해질 것으로 기대된다. 이는 기존에 베리 곡률 현상에 국한되어 있는 고체물질의 양자 기하학적 물성 연구에 새로운 지평을 열 것으로 보이며 고체에서 양자 거리를 측정하는 방법을 이용하여, 고체 시스템에서 양자 정보 분야를 연구할 수 있는 새로운 플랫폼을 활발히 탐색하게 되는 계기가 될 것으로 기대된다.

 

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