국제 공동 연구진은 상온에서도 대규모 양자 얽힘 현상을 구현할 수 있는 양자 소재 후보 물질을 확인했다.
한국원자력연구원 첨단양자소재연구실 김재욱 박사는 터븀인듐산화물(TbInO3)이 양자컴퓨터 소자 등에 쓰일 수 있는 양자스핀액상(Quantum Spin Liquid, 이하 QSL) 물질이 될 수 있음을 실험적으로 증명했다고 23일 밝혔다.
해당 연구 결과는 세계적 학술지 ‘네이처 피직스(Nature Physics, IF 19.684)’ 온라인판에 지난 17일 게재됐다. 김재욱 박사는 정택선 박사(연세대), 쉬샹한(徐祥翰) 박사(미국 럿거스(Rutgers)대)와 함께 공동 제1저자로 참여했다.
논문명은 Unconventional room-temperature carriers in the triangle-lattice Mott insulator TbInO3(삼각격자 구조의 모트 부도체 터븀인듐산화물에서 특이한 상온 운반자)다.
연세대 김재훈(공동교신저자), 최영재 교수, 한국과학기술원(KAIST) 문은국 교수(공동교신저자), 미국 럿거스대 정상욱 교수(공동교신저자), KAIST 부설 고등과학원(KIAS) 김범현 박사 등과 공동 연구한 결과다.
양자컴퓨터는 양자역학의 고유 특성인 중첩과 얽힘을 이용해 한 번에 많은 정보를 동시에 처리할 수 있다. 또한 특정 문제에 대해 기존의 수퍼 컴퓨터보다도 수 백만 배 이상 빠르게 풀 수 있어 양자 기술이 미래 산업의 판도를 바꿀 게임 체인저 기술로 주목받는다.
하지만 양자역학적 중첩과 얽힘 현상은 구현이 어렵다. 온도 변화, 불순물, 외부 전자기장 등 미세한 자극에도 다양한 오류가 발생한다. 취약한 양자 상태를 안정적으로 만들려면 절대영도(-273.15도)에 가까운 극저온 환경을 구현해야하는 등 까다로운 조건들이 필요하다.
지금도 양자 오류를 해결할 수 있는 후보 소재들이 다양하게 연구되고 있으며, QSL도 그 중 하나다. QSL은 새로운 자기 상태의 물질로 양자 요동에 의한 대규모 양자 얽힘이 가능하다. 양자 오류를 대폭 줄인 양자컴퓨터 구현에 필요한 강력한 후보 소재로 여겨진다.
2010년대부터 MIT 등 연구그룹에서 이론상으로 QSL은 양자 얽힘으로 발생하는 스피논(spinon)이라는 준입자(quasi-particle)가 빛과 상호작용하며, 스피논에 의해 광학전도도*가 빛의 주파수 제곱에 비례할 것이라고 예측했다. 즉, 어떤 물질에서 광학전도도가 빛의 주파수 제곱에 비례하는 특성을 발견한다면, 이는 곧 그 물질이 QSL이 될 수 있음을 말해준다. 광학전도도는 빛 등 교류전기장에 의한 물질의 전기전도도다.
이제까지 수 많은 QSL 후보 물질에 대한 검증이 이뤄졌지만, 불순물, 무질서한 물질 구성 등으로 인해 광학전도도-주파수 제곱 비례 현상을 실험적으로 확인할 수 없었다. 하지만, 공동 연구진은 최초로 QSL 후보 물질 중 하나인 터븀인듐산화물(TbInO3) 단결정에서 이를 실험적으로 확인하는데 성공했다.
연구진은 먼저, 레이저로 녹여 구조가 고른 단결정을 제조하는 레이저 부유 용융로(Laser-diode floating zone)를 사용해 고품질의 TbInO3 단결정을 합성했다. 이후 테라헤르츠(THz) 전자기파를 물질에 쪼여 광학전도도를 측정하는 분광실험을 수행했다.
실험은 극저온에서 상온에 이르는 넓은 온도 범위와 다양한 자기장, 주파수 대역에서 진행됐다. 특히 실험에 방해가 되는 빛의 내부 반사 효과를 줄이기 위해 시료 두께를 정밀히 제어했다.
그 결과, 특정 영역에서 광학전도도가 정확히 주파수 제곱에 비례함을 실험적으로 입증했다. 특히 영상 27도 수준의 실온에서도 광학전도도 비례 현상이 나타났다. 이는 TbInO3가 상온에서도 QSL 특성을 구현할 수 있음을 실제 확인한 최초 사례다. 이번 연구 결과를 바탕으로 연구진은 TbInO3이 무오류 양자컴퓨터의 소자로 응용할 수 있는지 등을 더 연구할 계획이다.
한편, 연구원은 양자역학적 현상을 측정하고 분석할 수 있는 하나로 중성자산란시설 및 100 MeV 양성자가속기 등 대형 양자빔 연구시설을 보유하고 있다.
이를 기반으로 2021년부터 본격적으로 양자소재 개발 연구를 수행해 QSL을 비롯해 반데르발스 층상소재, 양자자성체 등 50여건 이상의 양자 자성 소재를 합성하고 국내외 공동 연구를 진행하고 있다.
2024년부터는 본 연구결과를 바탕으로 무오류 양자컴퓨팅용 양자소재 개발 사업을 통해 무오류 큐비트(qubit, 양자 정보 기본 단위) 구현에 필요한 위상초전도 양자소재 개발을 추진할 계획이다.
연구원 김재욱 박사는 “이번 연구 결과는 양자스핀액상 물질의 오래된 이론적 예측을 실험적으로 검증한 첫 사례”라며, “향후 양자컴퓨팅 및 양자 센서 소자의 설계에 큰 도움이 될 것”이라고 말했다.