韓, 40년 전 발견된 물질서 양자컴퓨터 힌트 찾았다…세계 최초

국내 연구팀이 세계 최초로 삼각 격자 구조를 가진 자성 물질에서 새로운 양자 상태를 발견하는 데 성공했다. 과학계에서 기술이 상용화될 경우 오류 없는 양자 컴퓨터를 구현할 수 있어 집중 조명하고 있다.

과학기술정보통신부는 박제근 서울대 교수 연구팀과 김성진 이화여대 교수 연구팀이 삼각격자 구조 자성 반데르발스 물질에서 '키타에프 모델'을 발견하는 데 성공했다고 29일 밝혔다.

아이오딘화 코발트의 구조 및 삼각격자에서의 키타에프 모델 도식. 사진 과학기술정보통신부

키타에프 모델은 2차원 물질에서 구현되는 모델이다. 양자 시스템에서 가장 낮은 에너지 준위를 가지는 '바닥 상태'를 해석적으로 구할 수 있는데, 이 바닥 상태는 오류 없는 양자 컴퓨터에 활용할 수 있는 것으로 알려져 있다.

이 키타에프 모델은 그동안 벌집 구조를 가지는 물질에서만 나타났지만, 이번에 국내 연구팀이 삼각 격자 구조에서도 확인하는 데 성공한 것이다.

연구팀은 삼각 격자를 가진 자성 물질인 아이오딘화 코발트를 분석하던 중 이런 특성이 나타난다는 것을 처음 확인했다고 밝혔다. 이 물질은 40여년 전 처음 합성이 가능한 것이 밝혀졌으나 수분에 매우 약해 관련 연구가 많지 않았다.

연구팀은 이를 실험으로 증명하기 위해 일본 J-PARC 중성자 시설을 이용해 비탄성 중성자 산란실험과 스핀파를 측정하고, 이를 미국 연구팀과 함께 분석해 검증했다.

삼각격자 구조를 가진 물질은 양자상태를 가질 때 다양한 양자현상이 나타날 수 있는 것은 이론적으로 알려져 있었지만, 실제 물질에서 구현된 건 이번이 처음이라고 연구팀은 설명했다.

박 교수는 "2차원 물질에서 양자 얽힘이 있는 양자상태를 발견하는 것은 매우 중요하다"며 "우리 연구진이 개척해서 세계적으로 중요한 연구 분야로 자리매김한 자성 반데르발스 물질 분야에서 양자 얽힘이 중요한 양자상태를 발견해 이 분야를 주도했다"고 말했다.

이번 연구 결과는 이날 국제학술지 '네이처 피직스'에 실렸다.

한지혜 기자 han.jeehye@joongang.co.kr