기초과학연구원(IBS) 강상관계 물질 연구단 양범정 교수(서울대 물리천문학부)는 임준원 책임연구원, 김규 한국원자력연구원 책임연구원과 공동으로 기존에 측정이 불가능했던 고체의 '양자거리'를 측정하는 방법을 세계 최초로 제시해 주목을 받고 있다.

양자거리는 두 개의 양자상태를 비교하는 것으로, 목표했던 양자상태와 실제 양자상태의 차이를 측정해 양자통신과정이나 양자컴퓨터 연산과정의 양자정보 손실을 측정할 수 있을 것으로 기대된다.

양자 거리란 두 개의 양자 상태 사이의 양자 역학적인 거리를 정의하는 양으로, 두 양자 상태가 서로 비슷할수록 거리는 가까워지고, 두 상태가 서로 다를수록 거리가 멀어지는 특성이 있다. 양자 거리는 양자 정보 분야에서 중요한 개념들 중 하나인 신뢰도 양과 관련이 있는 데, 신뢰도란 두 개의 양자 상태가 얼마나 닮았는지 측정하는 양으로, 양자컴퓨터의 성능은 신뢰도가 높을수록 좋아지게 된다.

고체물리 분야의 측면에서도 양자 거리의 측정은 큰 의미를 가진다. 양자역학에서 고체 내 전자는 파동으로 간주되는데, 이 파동은 곡률과 양자거리로 나타내는 기하학적 모양을 가진다. 양자거리는 파동구조의 핵심 요소지만 지금까지는 고체에서 양자거리를 측정할 방법이 없었고, 물성으로도 나타나지 않아 크게 주목을 받지 못했다.

연구진은 평평한 에너지띠를 갖는 고체에 자기장을 걸어 양자거리 측정이 가능하다는 것을 이번에 세계에서 처음 밝혀냈다. 과학기술정보통신부와 기초과학연구원은 이번 성과가 6일 00시(한국시간) 세계 최고 권위의 학술지인 네이처(Nature, IF 42.778)에 논문으로 게재됐다고 밝혔다.

연구진은 이번 연구를 통해 평평한 에너지띠를 갖는 고체에 자기장을 걸면 에너지 준위가 변하는 것을 이론적으로 발견하고, 이 변화로부터 양자거리를 특정할 수 있다는 것을 증명했다. 이는 고체 전자의 에너지 준위를 관찰해 양자거리를 정확히 측정할 수 있음을 이론적으로 증명한 것으로, 전자 파동의 기하학적 구조와 관련한 새로운 고체 연구의 장을 열 것으로 기대된다.

임준원 책임연구원은 "이 연구를 통해 여러 이차원 물질에서 파동함수의 양자거리를 정확히 측정하고, 관련 물성을 조절할 수 있다"고 연구의 의미를 밝혔다.

양범정 교수는 "순수 이론 분야에서 네이처에 논문을 게재하는 일은 세계적으로 매우 드문 일"이라며 "고체를 양자기하학으로 분석한 기존 연구들은 곡률에 국한돼 있었는데, 이번 연구로 양자거리를 측정해 물성을 밝힐 수 있게 돼, 양자정보 분야에 쓰일 새로운 재료를 찾는 데 기여할 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 IBS와 연구재단 및 미 육군 연구소 지원으로 수행됐다.