안녕하세요, 수험피플 여러분! 대입멘토 한수진입니다.
양자컴퓨터는 큐비트(연산 단위)가 늘어날수록 오류도 기하급수적으로 증가하는 문제가 있습니다. IBM은 오는 2029년경에 이를 해결할 것으로 전망하고 있지만, 근본적인 해결책을 찾기는 어렵습니다. 이러한 가운데, 국내 연구진이 무오류 양자컴퓨팅의 핵심이 될 수 있는 새로운 후보 물질을 발견해 학계의 주목을 받고 있습니다.
연세대학교 물리학과 김재훈 교수 연구팀은 2차원 반강자성체 물질에서 ‘키타예프 스핀 액상(Kitaev Spin Liquid)’ 상태의 특징을 발견했다고 발표했습니다. 키타예프 스핀 액상은 러시아 물리학자 알렉세이 키타예프가 제시한 이론적 모델로, 2차원 육각격자에서 전자의 스핀이 특정한 배열 없이 액체처럼 끊임없이 요동치는 양자 자성 상태입니다.
이 상태에서는 ‘비가환 애니온(Non-Abelian Anyon)’이라는 특이한 입자가 나타나는데, 이는 최근 양자컴퓨터에서 오류를 줄일 수 있는 핵심 요소로 주목받고 있습니다. 하지만 지금까지 학계에서는 키타예프 스핀 액상을 완벽하게 구현하지 못했고, 기존 연구는 α-RuCl₃, Na₂IrO₃ 등 일부 후보 물질에 집중되어 있었습니다.
연세대 연구팀은 이를 해결할 가능성이 있는 새로운 후보 물질로 ‘코발트 기반 육각격자 구조 물질(Cu₃Co₂SbO₆)’을 찾아냈습니다. 본래 단일 상으로 합성이 어려운 물질이지만, 연구진은 ‘이질 구조 켜쌓기(Heterostructure Epitaxy)’ 기술을 활용하여 단결정 박막을 제작하고, 자기 감수율과 엑시톤(Exciton)의 외부 자기장에 따른 변화를 관측했습니다.
그 결과, 스핀이 특정 방향으로 배열되지 못하고 얽혀 있는 ‘Frustrated Spin’ 특성이 나타났으며, 엑시톤과의 상호작용 과정에서 키타예프 상호작용의 특징이 확인되었습니다. 특히, 단거리 스핀 상관관계가 닐(Neel) 전이온도의 두 배 이상 온도에서도 유지됨이 밝혀져, ‘Cu₃Co₂SbO6’가 키타예프 스핀 액상 상태를 가질 가능성이 크다는 것을 강하게 시사했습니다.
이번 연구의 가장 큰 의미는 기존에 연구되던 4d·5d 전이금속이 아닌 3d 전이금속(코발트)에서도 키타예프 스핀 액상이 발현될 수 있음을 실험적으로 처음 증명했다는 점입니다. 김재훈 교수는 “키타예프 스핀 액상은 무오류 양자 연산을 가능하게 하는 중요한 물질 상태”라며, “새로운 양자컴퓨팅 플랫폼이 될 가능성이 있다”고 밝혔습니다.
이 연구가 더욱 발전할 경우, 기존 양자컴퓨터가 직면한 오류 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 획기적인 전환점이 될 수 있으며, 한국이 차세대 양자컴퓨터 연구에서 주도적인 역할을 할 수 있는 기회가 될 것으로 기대됩니다.
Q1: 키타예프 스핀 액상이 양자컴퓨터의 오류 문제를 해결하는 데 중요한 이유는 무엇일까요?
Q2: 기존 양자컴퓨터의 오류를 줄이는 방법과 키타예프 스핀 액상을 활용한 방법은 어떤 차이점이 있나요?
Q3: 한국이 양자컴퓨터 기술 개발에서 글로벌 경쟁력을 확보하기 위해 필요한 전략은 무엇일까요?
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