국내 연구팀이 양자컴퓨터에 활용할 수 있는 새로운 양자 상태를 삼각격자 구조를 가진 자성 물질에서 발견하는 데 성공했다.

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

키타에프 모델은 2차원 물질에서 구현되는 모델이다. 원자들의 스핀(전자가 자기장에 대해 회전운동을 하는 물성)이 상호 작용해 이웃하는 스핀끼리 서로 다른 3차원에 수직으로 나온 축에 같은 방향으로 서게 하는 특성을 가진다.

이 모델은 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 벌집 구조를 가지는 물질에서만 나타났는데 이번에 삼각 격자 구조에서도 확인된 것이다.

연구팀은 아이오딘화 코발트를 분석하던 중 이런 특성이 나타난다는 것을 처음 확인했다. 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.

이번에 발견된 키타에프 모델은 응집물질물리 및 양자정보 등에 활용도가 클 것으로 기대된다고 연구팀은 덧붙였다.

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.