KAIST, 고온 초전도체 물질 이해 앞당길 발판 마련

양자 시뮬레이터 정정기술 개발

KAIST(총장 이광형)는 물리학과 최재윤 교수 연구팀이 포항공대 조길영 교수 연구팀과 중성원자 양자 시뮬레이터의 오류 정정 기술을 개발, 위상 물질과 고온 초전도체 물질 특성을 알아낼 수 있도록 하는 데 성공했다고 29일 밝혔다.

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중성원자 광격자 양자 시뮬레이터는 양자 컴퓨터의 한 종류다. 광격자 양자 시뮬레이터의 주요 연구 목표는 고온 초전도 물질과 같은 복잡한 양자 다체 문제에 대한 물리법칙의 이해다. 고온 초전도물질은 수십 년이 지난 지금도 어떠한 물리적인 기작으로 초전도가 형성되는지 명확하게 규명되지 않았다. 고온 초전도체(High-temperature superconductors)는 절대온도 0도(-273도) 이상의 온도에서도 전기 저항이 없는 초전도성을 보이는 물체를 말한다.

광격자 양자 시뮬레이터는 최근 고온초전도체에서 관측된 반강자성을 관측하는 등 미래에 고온 초전도 문제를 풀 수 있는 강력한 후보이지만 관측 과정 및 양자 상태 준비 과정에서 발생하는 결함을 체계적으로 파악하고, 정정하는 것이 매우 어렵다.

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최 교수 연구팀은 양자 시뮬레이터에 비국소 질서 변수가 측정 가능하고 실험적인 결함도 함께 찾아내는 방법을 개발했다. 연구팀은 2차원에서도 양자얽힘의 위상 물질의 물성을 규정짓는 것도 가능함을 보여주었다. 시뮬레이터 실시과정에서 발생한 결점까지 제거하는 데 성공한 이후, 위상물질의 2차원 비국소 질서변수는 급격하게(100배 이상) 증가하는 양상을 보였으며, 원자 수에 무관하게 측정값이 일정하게 유지되는 것을 확인하는 등 이론적으로 예측된 경향을 모두 확인할 수 있었다.

????????? ?????????? ????? ?????.밝은 파란색이 원자들이 비어 있는 곳에 해당한다. 에러 제거 알고리즘을 통해 자유 홀들을 효과적으로 제거하는 것이 가능하다.

최재윤 교수는 “이번 연구는 중성원자 양자 시뮬레이터에 존재하는 실험적 결함을 보정하는 것이 가능함을 보여준 최초의 연구이며, 향후 위상 양자 연산에 이용되는 양자 스핀 액상과 같은 고차원 위상 물질 발견 및 물성 규정에 주요하게 활용될 것”이라고 소감을 밝혔다.

KAIST 허준혁 연구원과 포스텍 이원준 학생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `피지컬 리뷰 X (Physical Review X)' 14권 1호에 지난 1월 8일 출판됐다. (논문명 : Measuring nonlocal brane order with error-corrected quantum gas microscopes).

이번 연구는 삼성미래기술재단과 한국연구재단의 지원으로 수행됐다.

백종민 기자 cinqange@asiae.co.kr