韓 연구진 일냈다…머리카락 굵기 100만분의1 '양자거리' 측정 성공

양자거리 측정 개념도. 두 개의 노란 공은 전자를 나타내며, 그 아래 흰색 눈금은 거리를 측정한다는 의미로 ‘자’를 표현한 것이다. 전자 간의 유사성을 의미하는 양자 거리는 실제 거리와 약간 다른 개념이지만 ‘양자거리 측정’을 직관적으로 표현하기 위한 그림이다. 이미지=김근수 연세대 교수 제공

국내 연구진이 고체 물질 속 전자의 '양자거리'를 직접 측정하는 데 성공했다. 머리카락 굵기의 100만분의 1, 원자보다 작은 미시세계의 거리를 수치화해 측정할 수 있는 거리다. 양자 컴퓨팅, 센싱 등 차세대 양자 기술의 정밀도를 한 단계 끌어올릴 수 있는 기반 기술로 평가된다.

과학기술정보통신부는 6일 연세대학교 김근수 교수 연구팀과 서울대학교 양범정 교수 연구팀이 공동으로 고체 속 전자의 양자거리를 완전하게 측정하는 데 성공했다고 밝혔다. 연구 결과는 세계 최고 권위의 학술지 '사이언스(Science)' 5일자(현지시간)에 게재됐다.

양자거리는 입자 간의 '유사성'을 나타내는 물리량이다. 두 입자가 완전히 같으면 0, 완전히 다르면 1에 가까워진다. 전자, 원자처럼 극미세한 입자 간 상태 변화를 정밀하게 추적할 수 있는 수단으로, 양자 연산 정확도 분석과 물질 특성 분석에 필수적인 정보다.

기존에는 이 값을 이론적으로 추정하거나 근사 측정하는 수준에 머물러 왔다. 하지만 이번 연구는 흑린(black phosphorus)이라는 특수 물질을 대상으로, 위상차를 직접 측정해 양자거리를 수치로 추출하는 데 성공했다. 특히 실험과 이론이 10년 이상 긴밀히 축적된 결과라는 점에서 학계의 주목을 받고 있다.

양 교수 연구팀은 이론적으로 흑린의 전자 간 양자거리가 위상차로 결정된다는 점을 밝혀냈고, 김 교수 연구팀은 방사광가속기를 활용한 '각분해광전자분광(ARPES)' 실험을 통해 이 위상차를 실측했다. 이를 통해 기존의 간접 측정 한계를 넘어서 '양자거리'를 완전히 수치화하는 데 성공한 것이다.

김근수 교수는 "건축을 할 때 정밀한 측량이 필수인 것처럼, 오류 없이 작동하는 양자 기술을 위해서는 정확한 양자거리 측정이 선행돼야 한다"며 "이번 연구성과는 양자 컴퓨팅, 양자 센싱과 같은 다양한 양자 기술 전반에 기초 도구로 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 과기정통부의 리더연구, 선도연구센터 지원을 받아 진행됐다. 주요 저자는 김근수 교수(연세대), 양범정 교수(서울대) 외에 김선제·정윤아·유팅 퀴안 연구원이다.

양 교수는 "이번 성과는 양자 기하학 연구의 초석이 될 수 있다"며 "다양한 대칭 구조와 전자 특성을 갖는 물질로 연구를 확장해 세계를 선도하는 양자기하 연구를 목표로 한다"고 밝혔다.

박유진 기자 genie@asiae.co.kr
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