[더테크=조재호 기자] 카이스트가 리드버그 원자의 강한 상호작용을 이용해 하이젠버그 자성체 모형을 실험적으로 계산하는데 성공했다. 새로운 양자 물성을 연구할 가능성을 보여 향후 양자 컴퓨터를 활용한 물성 연구가 활발해질 전망이다.

카이스트는 11일 안재욱 물리학과 교수 연구팀이 코펜하겐 대학 클라우스 뭴머(Klaus MØlmer) 교수 연구팀과 함께 리드버그 원자 양자 컴퓨터를 이용해 양자 자성체의 극단적 특성을 구현하는데 성공했다고 밝혔다.

자성체 물질은 하드디스크와 같은 전자제품을 비롯해 전력 발전 등에 활용되는 현대 기술의 핵심 요소다.

최근 상온 자성체를 넘어 양자적 특성이 두드러지는 초저온에서 양자 자성체 특성에 관한 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 초저온에서 진행되는 물성 분석 및 계측 연구는 MRI 등의 의학 기기 등에 응용될 뿐 아니라 차세대 초정밀 제어계측공학을 촉발할 것으로 기대된다.

이번 연구에서 공동연구팀은 리드버그 원자를 활용한 양자 컴퓨터로 양자 자성체를 설명하는 모형 중하나인 하이젠베르크 모형을 모방해 구현했다. 이전 구현과 다르게 이번 연구에서는 리드버그 원자의 강한 상호작용을 이용한 극단적 이방성을 구현하는데 성공했다.

극단적 이방성이란 3차원 중 특정 방향이 다른 방향 대비 1000배이상 강하게 상호작용하는 특성으로 새로운 연구 영역을 확보한 부분이다.

연구를 주도한 안재욱 교수는 “이번 연구는 리드버그 양자컴퓨터를 이용해 새로운 양자 물성을 연구할 수 있음을 보였다”라며 “양자 컴퓨터를 이용하는 물성 연구가 활발해질 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 국제 학술지 `피지컬 리뷰 X (Physical Review X)' 2월 14권에 출판됐다.

한편, 리처드 파인만은 지난 1983년 양자계의 특성을 인공적인 양자계로 모방해 연구하는 양자 시뮬레이션을 제안했다. 인공적으로 모방한 양자계의 특성을 연구하면 기존 양자계의 특성을 알아낼 수 있기 때문이다.

현재 양자 물질을 시뮬레이션하는 데 있어 중요한 이슈 중 하나는 극단적인 상황 속 양자 물질의 현상을 관찰하는 것으로 가장 주목 받는 것은 리드버그 원자다. 리드버그 원자는 최외각 전자가 이온화되어 떨어지기 직전의 매우 높은 에너지를 머금고 있는 원자로 일반 원자의 만 배 정도의 지름과 함께 더 큰 상호작용을 한다.