국내 연구진이 고체 물질 속 전자 간 양자역학적 유사성을 나타내는 '양자거리'를 세계 최초로 완전하게 측정하는 데 성공했다. 이번 연구는 물리학계에서 난제로 남아있던 양자거리의 직접 측정법을 확립한 성과로, 향후 양자컴퓨팅, 양자센싱 등 다양한 양자 기술의 정밀도와 신뢰성을 끌어올리는 핵심 기반 기술로 평가된다.

서울대학교 양범정 교수의 이론 연구팀과 연세대학교 김근수 교수의 실험 연구팀은 약 5년에 걸친 공동 연구 끝에 흑린(黑燐, Black Phosphorus)이라는 물질을 이용해 전자의 위상차를 정밀하게 측정하고, 이를 바탕으로 양자거리를 완전하게 추출하는 데 성공했다. 특히 방사광가속기와 각분해광전자분광 기법을 활용해, 전자 간 위상차가 빛의 편광 방향에 따라 달라지는 현상을 이용하여 양자거리를 수치화했다.

양자거리란 고체 속 전자 상태의 양자역학적 유사도를 수치로 표현하는 물리량으로, 동일한 상태일수록 0에 가깝고 완전히 다를수록 1에 가까워진다. 이는 단순한 공간상의 거리 개념이 아니라, 전자가 파동처럼 퍼져 존재하는 양자 세계에서 유사성을 나타내는 척도로, 특히 큐비트 간 오차율을 최소화해야 하는 양자컴퓨팅 분야에서 핵심적 역할을 한다.

이번 연구에서 사용된 흑린은 단순한 원자 조성과 대칭 구조를 갖춘 이차원 물질로, 전자의 위상차 해석에 최적화된 특성을 지녔다. 연구진은 흑린의 전자 상태를 수평·수직 방향의 편광 빛으로 나누어 측정함으로써 세 가지 핵심 요소를 모두 정밀하게 추출하는 데 성공했으며, 이론적 예측값과 실험값이 거의 일치하는 결과를 도출했다.

이번 연구는 고체물리학에서 위상(Topology)뿐 아니라 기하(Geometry)의 중요성을 부각시킨 점에서도 주목받고 있다. 기존에는 전자의 위상을 통해 물질의 성질을 구분했으나, 이번 성과는 전자의 기하학적 특성 또한 물질의 본질을 파악하는 데 결정적 역할을 할 수 있음을 보여줬다.

연구에 참여한 서울대와 연세대 연구팀은 각각 양자거리 이론과 흑린 전자구조 측정에서 전문성을 쌓아온 그룹으로, 이번 협업은 국내 연구진이 특정 양자물질 분야에서 세계를 선도할 수 있다는 가능성을 제시한 사례로 평가된다. 본 연구는 과학기술정보통신부의 기초연구사업과 세종과학펠로우십 등의 지원을 받았다. /이승현 기자