[문화뉴스 박수연 기자] KAIST(총장 이광형) 물리학과 안재욱 교수 연구팀이 코펜하겐 대학 클라우스 뭴머(Klaus MØlmer) 교수 연구팀과의 글로벌 공동 연구를 통해 양자 컴퓨터를 사용하여 양자 자성체의 극단적 이방성을 설명하는 하이젠베르크 모델을 구현하는 데 성공했다고 11일 밝혔다.

이 연구는 리드버그 원자를 이용한 양자 컴퓨터 플랫폼을 활용했으며, 이는 양자 물질의 특성으로 계산량이 기하급수적으로 증가하기 때문에, 양자 물질 설계를 위해 물질의 특성을 연구하는 데 중요한 발전이다.

양자 자성체의 연구는 초저온에서 양자적 특성이 두드러지는 자성체의 특성에 관한 것으로, 최근 이에 대한 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 이러한 연구는 미래 양자물질 설계 및 차세대 초정밀 제어계측 공학에 응용될 가능성이 높다.

리드버그 원자는 매우 높은 에너지 상태의 원자로, 상호작용이 크게 증가하는 특성을 가지고 있다. 이번 연구에서는 리드버그 원자의 이러한 강한 상호작용을 이용하여 하이젠베르크 모형*의 극단적 이방성을 구현했다. 이는 양자 자성체를 설명하는 데 중요한 모형으로, 자성체 스핀 간의 모든 방향 상호작용을 가정한 것이다.

*하이젠베르크 모형: 하이젠베르크 자성체 모형은 자성체 스핀 간의 모든 방향 (x, y, z 방향) 상호작용을 가정한 모형으로 양자 자성체의 대표적 모델 중 하나임. 

연구를 주도한 KAIST 물리학과 안재욱 교수는 “이번 연구는 리드버그 양자컴퓨터를 이용해 새로운 양자 물성을 연구할 수 있음을 보였다”라고 밝히고 “양자컴퓨터를 이용하는 물성 연구가 활발해질 것”이라고 기대했다.

한편, KAIST 물리학과 김강흔 대학원생 연구원과 덴마크 오르후스 대학의 팬 양(Fan Yang) 박사후 연구원이 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `피지컬 리뷰 X (Physical Review X)' 2월 14권에 출판됐다. (논문명 : Realization of an Extremely Anisotropic Heisenberg Magnet in Rydberg Atom Arrays).

문화뉴스 / 박수연 기자 press@mhns.co.kr

[사진 = KAIST]