국내 연구진이 고체 물질 속 전자의 양자상태 유사성을 나타내는 ‘양자거리’를 직접 측정하는 데 세계 최초로 성공해 양자기술 발전에 핵심 기초를 마련했다.

<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. 그림설명 및 그림제공 : 연세대학교 김근수 교수

과학기술정보통신부는 연세대학교 김근수 교수와 서울대학교 양범정 교수 공동 연구팀이 고체 속 전자의 양자거리를 정밀하게 측정하는 데 세계 최초로 성공했다고 6일 밝혔다. 이 연구 성과는 국제학술지 『사이언스(Science)』에 6월 6일자(현지시간 5일)로 게재됐다.

양자거리는 미시세계 입자 간의 양자역학적 유사성을 수치화한 물리량이다. 완전히 동일한 양자상태일 때 0, 완전히 다를 경우 1에 가까운 값을 가진다. 이는 양자컴퓨팅과 양자센싱 등 다양한 양자 기술의 정확도 평가와 상태 변화 모니터링에 필수적인 요소로 평가된다.

양자거리를 직접 측정하는 연구는 지금까지 극히 드물었다. 최근까지도 고체 물질 속 전자 양자거리에 대한 연구는 간접 측정에 국한되었고, 네 가지 핵심 요소 중 일부만 확인된 사례에 불과했다. 이번 연구는 양자거리의 네 가지 요소 전체를 직접 측정한 최초 사례로, 기존 이론적 근사에 의존하던 방식에서 한 걸음 나아간 성과다.

양 교수의 이론연구팀은 흑린이라는 구조가 단순한 물질에 주목해, 그 안의 전자 양자거리가 전자 파동 간 위상차로 결정된다는 사실을 이론적으로 밝혀냈다. 김 교수의 실험팀은 편광된 빛을 이용한 각분해광전자분광(ARPES) 기법으로 위상차를 정밀하게 측정했고, 이를 통해 양자거리를 완전하게 추출했다.

<양자거리 측정 실험 데이터> 흑린 속 전자들의 양자거리 분포를 에너지와 운동량에 따라 측정한 실험 데이터로, 흰색은 양자거리가 0이고 검은색은 양자거리가 1이다. 회색 선들은 양자거리가 같은 지점을 0.1 간격으로 이어서 나타낸 것이다. 그림설명 및 그림제공 : 연세대학교 김근수 교수

이번 연구는 지난 5~10년간 두 연구팀이 각자의 전문성을 쌓아온 끝에 협력으로 결실을 맺은 것이다. 양 교수팀은 MIT와의 협업으로 이미 양자거리 근사 측정 결과를 『네이처 피직스(Nature Physics)』에 발표한 바 있으며, 김 교수팀은 흑린 실험을 통해 『네이처(Nature)』와 『네이처 머터리얼스(Nature Materials)』에 연구 성과를 게재해 왔다.

김근수 교수는 “정확한 건축을 위해 거리 측정이 필수이듯, 정밀한 양자 기술 개발에도 정확한 양자거리 측정이 필요하다”고 말하며, 이번 성과가 다양한 양자기술의 기초 도구로 활용될 수 있음을 강조했다.

양자거리 측정 기술은 현재로선 기초과학 성격이 강하지만, 양자컴퓨터나 양자센서 같은 차세대 기술의 핵심 인프라로 기능할 가능성이 높다. 김 교수는 “고체 속 전자의 위상학적‧기하학적 성질에 대한 연구는 이제 막 시작된 분야로, 앞으로 양자기하(quantum geometry) 연구를 선도하고자 한다”며 국내 연구진이 퍼스트 무버로 자리 잡겠다는 포부를 밝혔다.