[에이티엔뉴스=이기종 기자] 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형)은 물리학과 안재욱 교수팀이 코펜하겐대학교 클라우스 뭴머(Klaus MØlmer) 교수팀과 함께 최근 가장 주목을 받는 리드버그 원자 양자 컴퓨터를 이용해 양자 자성체의 극단적 특성을 구현했다고 29일 밝혔다.

이번 카이스트 안재욱 교수팀 등의 "양자 컴퓨터로 새로운 물성" 연구는 KAIST 물리학과 김강흔 대학원생 연구원과 덴마크 오르후스 대학의 팬 양(Fan Yang) 박사후 연구원이 참여했으며 국제 학술지인 피지컬 리뷰 X(Physical Review X) 2월 14권에 게재돼 공개됐다.

해당 국제학술지에 게재된 논문명은 "Realization of an Extremely Anisotropic Heisenberg Magnet in Rydberg Atom Arrays"이다.

양자 시뮬레이션을 이용한 양자 자성체의 연구는 지난 10년간 세계 유수의 대학과 연구소에서 이뤄지고 있으며 이전까지 알려지지 않은 양자 물질의 특성들을 실험적으로 확인하는 성과를 보였다.

특히 양자 시뮬레이션을 수행하는 양자 컴퓨터 플랫폼으로 최근 가장 주목을 받는 것은 리드버그 원자다.

리드버그 원자는 최외각 전자가 이온화되어 떨어지기 직전의 매우 높은 에너지를 머금고 있는 원자로 일반 원자의 만 배 정도의 지름을 가지며 10의 24제곱(배) 정도 더 큰 상호작용을 한다.

이번 연구에서 글로벌 공동연구팀은 리드버그 원자를 이용한 양자 컴퓨터를 이용해 양자 자성체를 설명하는 모형 중 하나인 하이젠베르크 모형을 양자 컴퓨터로 모방해 구현했다.

특히 이전의 하이젠베르크 모형의 구현과 다르게 이번 연구에서는 리드버그 원자의 강한 상호작용을 이용한 극단적 이방성(3차원 중 특정 방향이 다른 방향 대비 1000배 이상 강하게 상호작용하는 특성으로 새로운 연구영역이 확보됨)을 구현하는 데 성공했다.

하이젠베르크 모형(하이젠베르크 자성체 모형)은 자성체 스핀 간의 모든 방향 (x, y, z 방향) 상호작용을 가정한 모형으로 양자 자성체의 대표적 모델 중 하나이다. 

실례로 스핀은 3차원 공간 속 x, y, z 세 방향으로 놓일 수 있는데 같은 방향으로 정렬된 스핀들끼리 각각 Jx, Jy, Jz의 상호작용을 가정할 때 세 상호작용의 크기가 모두 같은 경우는 관습적으로 XXX 모형이라고 부르며 두 개가 같을 경우 XXZ, 모두 다를 경우 XYZ 모형이라고 부른다.

결과적으로 KAIST가 구현한 하이젠베르크 XXZ 자성체 모형은 이전에는 볼 수 없었던 매우 강한 z 방향 상호작용(Jz)을 보여준 것으로 하이젠베르크 자성체의 극단적 이방성을 구현했다는 데 의미가 있다.

이 연구성과와 관련해 KAIST 물리학과 안재욱 교수는 “이번 연구는 리드버그 양자컴퓨터를 이용해 새로운 양자 물성을 연구할 수 있음을 보였다”라며 “양자컴퓨터를 이용하는 물성 연구가 활발해질 것”이라고 말했다. 

이 연구는 삼성미래기술재단과 한국연구재단의 지원으로 수행됐다.

한편 KAIST 물리학과 안재욱 교수팀은 최근 리드버그 원자를 이용해 최대 156큐비트급의 양자 컴퓨터 계산을 선보였다.