양자컴퓨터 신뢰도 높일 '양자거리' 측정 기술 개발

기초과학연구원-한국원자력연구원
고체 내 전자 간 거리 측정방법 첫 제시

국내 연구진이 고체 내 전자 간 거리(양자 거리)를 측정하는 방법을 세계 최초로 제시했다. 차세대 컴퓨터인 양자컴퓨터 성능을 높일 것으로 기대되는 원천기술이다.

과학기술정보통신부 직할 기초과학연구원(IBS) 강상관계물질 연구단 임준원 책임연구원과 양범정 서울대 물리천문학부 교수, 한국원자력연구원 김규 책임연구원은 이같은 연구성과를 내 국제학술지 '네이처'에 실었다고 6일 발표했다.

전자는 위치가 고정된 '입자'가 아니다. 시시각각으로 변하는 '파동' 형태로 존재하기 때문에 확률적으로만 위치를 파악할 수 있다. 이를 수학적으로 기술한 것이 슈뢰딩거 방정식, 이른바 파동함수다. 이 파동함수를 확률밀도함수로 바꿔 적분하면 특정 위치에서 전자가 발견될 확률이 나온다. 고체 내에 존재하는 전자의 파동함수를 '블로흐 파'라고 한다.

블로흐 파(고체 속 전자의 파동함수)는 기하학적으로 보면 도넛 두개가 겹쳐 있는 것처럼 곡률을 갖는다. 이 중첩된 도넛에 두 개의 점을 찍는다고 할 때, 이 점 사이 거리가 양자 거리다. 양자 거리를 파악하면 양자 컴퓨터의 '결맞음(신뢰도)'을 높일 수 있는 열쇠가 된다.

고체의 에너지 띠는 블로흐 파가 가질 수 있는 에너지와 운동량 사이의 관계를 선으로 그린 것이다. 이 띠는 대체로 곡선(곡선 에너지 띠)으로 그려진다. 그런데 고체의 격자 구조가 특수한 경우, 전자들의 평균 이동 속도가 0이 되는 독특한 현상이 발생하는데 이를 '평평한 에너지 띠'라고 한다. '꿈의 신소재' 그래핀이 두 층으로 뒤틀려 결합된 '카고메 격자 물질'에서 평평한 에너지 띠가 관찰된다.

이런 평평한 에너지 띠 상태에선 전자의 유효 질량이 무한대가 되면서, 양자 거리가 '0'이 된다는 게 정설이었다. 자기장을 걸어도 에너지 변화가 없었다.

연구팀은 평평한 에너지 띠와 곡선 에너지 띠가 교차하는 물질에 자기장을 걸면 전자들의 에너지 준위가 퍼지고, 이 때 나타나는 블로흐 파의 특이점에 착안해 양자 거리를 유추(계산)할 수 있다는 사실을 처음 밝혀냈다.

연구팀 관계자는 "자기장 하에서 전자 거동에 대한 새로운 현상을 발견한 것"이라며 "블로흐 파의 기하학적 성질에 대해 더 깊은 이해를 할 수 있게 됐다"고 설명했다. 이번 연구는 IBS와 미국 육군의 지원을 받아 진행됐다.

이해성 기자 ihs@hankyung.com