양자거리 측정 개념도. 두 개의 노란 공은 전자를 나타내며, 그 아래 흰색 눈금은 거리를 측정한다는 의미로 ‘자’를 표현한 것이다. 전자 간 유사성을 의미하는 양자거리는 실제 거리와 약간 다른 개념이지만 ‘양자거리 측정’을 직관적으로 표현하기 위한 그림./김근수 교수





한국 과학자들이 머리카락 굵기의 100만분의 1 수준으로 작은 입자들의 ‘양자거리’를 정확하게 측정하는 데 성공했다. 양자컴퓨터나 양자센서를 구현할 핵심 기술을 한국 과학자들이 세계 최초로 개발한 것이다.
김근수 연세대 물리학과 교수와 양범정 서울대 물리천문학부 교수 공동 연구진은 “원자보다 작은 미시세계의 릴게임 코리아
거리를 수치화해 측정할 수 있는 양자거리 측정 방법을 개발했다”고 6일 밝혔다. 연구 결과는 이날 국제 학술지 사이언스(Science)에 실렸다.
양자거리는 미시세계 입자들 간의 양자역학적 유사성을 수치로 나타낸 것이다. 미시세계는 머리카락 굵기의 100만분의 1 수준으로 원자만큼 작은 세계를 뜻한다. 미시세계에서 입자의 운동을 설명하는 고전릴게임
원리가 바로 양자역학이다.
미시세계에서 입자 간의 거리는 두 입자가 얼마나 닮았는지에 따라 결정된다. 두 입자가 완전히 똑같은 양자 상태일 때는 최솟값이 ‘0’, 완전히 다르면 최댓값인 ‘1’이 된다. 이 양자거리는 양자컴퓨터나 양자센서 분야에서 연산의 정확도를 평가하고, 상태 변화를 추적하기 위한 필수적인 정보로 여겨진다.
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지금까지 양자거리를 정확하게 측정하는 데 성공한 전례가 없다. 양범정 교수가 미국 매사추세츠 공과대학(MIT) 연구진과 함께 양자거리를 근삿값으로 측정한 게 유일했다. 김근수 교수는 양범정 교수와 함께 고체 속 전자의 양자거리를 측정하는 데 도전했다.
연구진은 조성과 구조가 단순한 물질인 흑린(黑燐·black phosphorus)에 엑사이엔씨 주식
주목했다. 인에 고온·고압을 가해 한 층으로 만든 물질로, 두께가 원자 수준으로 얇고 전기적 특성이 뛰어나 반도체 소자로 사용되기에 좋은 특성을 갖고 있다.
양범정 교수는 흑린의 단순한 조성과 대칭 구조로 인해 전자들의 양자거리가 전자 간 위상차로 결정된다는 사실을 알아냈다. 위상차는 파장이 동일한 두 파동의 최댓값 사이의 위치 간격을 말동일방직 주식
한다. 김근수 교수는 방사광가속기 같은 첨단 측정 장비를 이용해 흑린 속 전자들의 위상차를 정밀하게 측정하는 데 성공했다.
양자거리를 정확하게 측정했다는 것은 양자역학을 이용한 다양한 응용 기술의 정확도를 높일 수 있다는 뜻이다. 건물을 안전하고 튼튼하게 세우려면 도량형을 먼저 확립하고 그에 따라 정확한 거리를 측정해야 한다. 마찬가지로 양자기술을 고도화하기 위해서는 미시세계에서 입자들의 상태를 정확하게 측정해야 한다. 김 교수와 양 교수가 이를 세계 최초로 해낸 것이다.
양자기술은 양자컴퓨터, 양자통신, 양자센서처럼 양자역학의 특성을 바탕으로 하는 기술이다. 양자컴퓨터가 실현되면 수퍼컴퓨터가 1만년 걸려 풀 문제를 순식간에 해결할 수 있다. 양자 암호 통신은 해킹이 불가능한 정보 전달을 이룰 수 있으며, 양자센서는 고전역학 원리의 센서가 측정하지 못하는 미세신호도 포착한다.
김근수 교수와 양범정 교수는 “건축물을 안전하게 세우기 위해 정확한 거리 측정이 필수인 것처럼, 오류 없이 정확하게 동작하는 양자기술 개발에도 정확한 양자거리 측정이 반드시 필요하다”며 “이번 연구 성과는 양자 컴퓨터, 양자 센서와 같은 다양한 양자 기술 전반에 기초 도구로 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.
참고 자료
Science(2025), DOI : http://doi.org/10.1126/science.ado6049
Nature Physics(2025), DOI : https://doi.org/10.1038/s41567-024-02678-8
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