한국원자력연구원, 한국과학기술원(KAIST)을 비롯한 국제 공동 연구진이 상온에서 대규모 양자 얽힘 현상을 구현할 수 있는 양자 소재 후보 물질을 확인했다.
원자력연은 김재욱 첨단양자소재연구실 박사가 '터븀인듐산화물'이 양자컴퓨터 소자 등에 쓰일 수 있는 양자스핀액상(QSL) 물질이 될 수 있음을 실험적으로 증명했다고 23일 밝혔다.
이번 연구는 네이처 피직스 온라인판에 17일 게재됐다. 김재욱 박사는 정택선 연세대 박사, 쉬샹한 미국 럿거스대 박사와 함께 공동 제1저자로 참여했다.
연세대의 김재훈(공동교신저자)·최영재 교수, 문은국 KAIST 교수(공동교신저자), 정상욱 미국 럿거스대 교수(공동교신저자), 김범현 KAIST 부설 고등과학원(KIAS) 박사 등도 공동 연구했다.
양자컴퓨터는 양자역학 고유 특성인 중첩과 얽힘을 이용해 한 번에 많은 정보를 동시에 처리할 수 있다.
하지만 중첩과 얽힘 현상은 구현이 어렵다. 온도 변화, 불순물, 외부 전자기장 등 미세 자극에도 오류가 발생한다. 양자 상태를 안정적으로 만들려면 절대영도(-273.15℃)에 가까운 극저온 환경을 구현해야한다. 이런 양자 오류를 해결할 수 있는 후보 소재로 QSL이 언급된다.
많은 QSL 후보 물질 검증이 이뤄졌지만 그 증거가 되는 '광학전도도-주파수 제곱 비례 현상'을 확인할 수 없었는데, 연구진이 최초로 터븀인듐산화물 단결정에서 이를 확인했다.
연구진은 고품질 단결정을 합성한 후 테라헤르츠 전자기파를 쪼여 광학전도도를 측정하는 분광실험을 수행했다. 그 결과, 특정 영역에서 광학전도도가 정확히 주파수 제곱에 비례함을 실험적으로 입증했다.
영상 27℃ 수준 실온에서도 광학전도도 비례 현상이 나타났는데, 이는 상온에서도 QSL 특성을 구현할 수 있음을 실제 확인한 최초 사례다.
김재욱 박사는 “이번 연구 결과는 양자스핀액상 물질의 오랜 이론적 예측을 실험적으로 검증한 첫 사례”라며 “향후 양자컴퓨팅 및 양자 센서 소자의 설계에 큰 도움이 될 것”이라고 말했다.
한편 원자력연은 양자역학 현상을 측정·분석할 수 있는 하나로 중성자산란시설 및 100MeV 양성자가속기 등 대형 양자빔 연구시설을 보유하고 있다.
이를 기반으로 QSL을 비롯해 반데르발스 층상소재, 양자자성체 등 50여건 이상 양자 자성 소재를 합성하고 국내외 공동 연구를 진행하고 있다.
내년부터는 이번 연구결과를 바탕으로 무오류 큐비트(양자 정보 기본 단위) 구현에 필요한 위상초전도 양자소재 개발을 추진할 계획이다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
