- 물리학과 최재윤 교수, 포스텍 조길영 교수 연구팀, 아날로그 양자 시뮬레이터 

  오류 정정 알고리즘 최초 개발 및 원거리 양자얽힘 관측

- 고차원 위상 물질 및 고온 초전도체 물질 이해를 앞당길 수 있는 발판 마련

사진 왼쪽 부터 최재윤 (KAIST) 허준혁(KAIST) 조길영(POSTECH) 이원준(POSTECH)

고온 초전도물질은 수십 년이 지난 지금도 어떠한 물리적인 기작으로 초전도가 형성되는지 명확하게 규명되지 않았다. 광격자 양자 시뮬레이터는 이러한 문제를 풀기 위한 새로운 접근 방식으로 이미 고전 컴퓨터가 연산할 수 없는 영역에 우위를 보여주었으며, 최근 고온 초전도체에서 관측된 반강자성을 관측하는 등 미래에 고온 초전도 문제를 풀 수 있는 강력한 후보다.

KAIST 물리학과 최재윤 교수 연구팀이 포항공대 조길영 교수 연구팀과 공동연구를 통해 중성원자 양자 시뮬레이터의 오류 정정 기술을 개발해 최초로 2차원에서의 비국소 질서 변수를 측정함으로써 향후위상 물질과 고온 초전도체 물질 특성을 알아낼 수 있도록 하는 데 성공했다고 29일 밝혔다.

이러한 양자 시뮬레이터의 큰 단점은 관측 과정 및 양자 상태 준비 과정에서 발생하는 결함으로(예: 원자 손실), 이를 체계적으로 파악하고, 정정하는 것이 매우 어렵다. 이러한 결함은 특히 위상물질의 특성을 규정짓는 비국소 질서변수를 측정하는데 큰 걸림돌이 되며, 2차원에서는 그 효과가 더욱 커져 큰 시스템에서 비국소 질서 변수의 실험적 관측을 어렵게 만드는 주요 요소다.

그림 설명-측정된 원자들과 홀의 분포. 밝은 파란색이 원자들이 비어 있는 곳에 해당한다. 에러 제거 알고리즘을 통해 자유 홀들을 효과적으로 제거하는 것이 가능하다.

일반적으로 우리가 관측하는 물리량은 국소성을 띄기 때문에, 이러한 양자역학적 특이성인 양자 얽힘(entanglement)이 물성을 지배하는 물질인 위상물질의 비국소 질서 변수를 측정하는 것은 간단하지 않다. 더욱이 2차원, 3차원 물질의 경우 실험적 노이즈에 의해 그 신호가 급격하게 약해지기 때문에 이를 실험적으로 관측하기는 매우 어렵다.

최 교수 연구팀은 양자 시뮬레이터에 비국소 질서 변수가 측정 가능하고 실험적인 결함도 함께 찾아내는 방법을 개발했다. 또한 연구팀은 2차원에서도 양자얽힘의 위상 물질의 물성을 규정짓는 것도 가능함을 보여주었다. 시뮬레이터 실시과정에서 발생한 결점까지 제거하는데 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.

해당 기술은 여러 가지 중성원자 양자 시뮬레이터에 활용이 가능하다. 원거리 상호작용이 주요한 양자 시뮬레이터의 경우, 양자 스핀 액상과 같은 2차원 위상 물질의 물성을 규정하는데 적용 가능하며, 고온 초전도체 물질을 흉내 내는 양자 시뮬레이터에도 해당 기법을 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

KAIST 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 하였다.

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).

한편 이번 연구는 삼성미래기술재단과 한국연구재단의 지원으로 수행됐다.

□ 연구개요

연구 배경

중성원자 광격자 양자 시뮬레이터는 현재 대중에게 익숙한 양자 컴퓨터의 한 종류로서, 모든 계산을 수행하는 범용성은 떨어지지만 특정 문제에 대한 해답을 풀어내는 특수목적형 양자 컴퓨터의 한 종류이다. 광격자 양자 시뮬레이터의 주요 연구 목표는 복잡한 양자 다체 문제에 대한 물리법칙을 이해하는 것으로 고온 초전도 물질이 그 대표적인 예이다. 고온 초전도물질은 수십년이 지난 지금도 어떠한 물리적인 기작으로 초전도가 형성되는지 명확하게 규명되지 않았다.

광격자 양자 시뮬레이터는 이러한 문제를 풀기위한 새로운 접근 방식이다. 광격자란, 레이저 파동을 되반사시켜 만들어지는 정상파를 뜻하며, 극저온으로 냉각된 양자 상태의 원자들은 정상파에 의해 형성되는 주기적인 포텐셜을 느끼게 되고, 고체 물질에서 행동하는 전자들의 양자역학적 거동을 흉내 낼 수 있다 (아래그림). 무엇보다 개별 원자들의 양자 상태를 직접적으로 관측할 수 있으며, 시공간적인 물리량의 변화를 직접 관측할 수 있어 물성의 미시적인 근원을 파악하는 것이 가능하다. 광격자 양자 시뮬레이터는 이미 고전 컴퓨터가 연산할 수 없는 영역에 우위를 보여주었으며, 최근 고온초전도체에서 관측된 반강자성을 관측하는 등 미래에 고온 초전도 문제를 풀 수 있는 강력한 후보이다.

이러한 양자 시뮬레이터의 큰 단점은 관측 과정 및 양자 상태 준비 과정에서 발생하는 결함으로(예: 원자 손실), 이를 체계적으로 파악하고, 정정하는 것이 매우 어렵다. 이러한 결함은 특히 위상물질의 특성을 규정짓는 비국소 질서변수를 측정하는데 큰 걸림돌이 되며, 2차원에서는 그 효과가 더욱 커져 큰 시스템에서 비국소 질서 변수의 실험적 관측을 어렵게 만드는 주요 요소이다.

□연구 내용

연구팀은 보즈-허바드 모델과 스핀-1/2 Ising 모델간의 유사성을 발견하였으며, 이를 통해 모트 부도체에서 발생하는 입자-홀쌍과 실험적인 결함에 의해 생성되는 자유 홀(에러)을 구분하는 방법을 개발하였다. 핵심 아이디어는 입자-홀 쌍의 경우 원자들의 터널링에 의해 발생하기 때문에 근접거리에서의 상관관계를 보이지만, 자유 홀의 경우 무작위적으로 발생하여 상관관계가 매우 약하다. 연구팀은 주어진 데이터에서 가능한 모든 입자-홀쌍의 가능성을 조사하였으며, 실험적인 에러 발생률과 비교하여 확률적으로 자유 홀을 파악하고 제거 할 수 있었다. 특히, 입자-홀쌍의 가능성을 조사할 때 스핀-1/2 Ising 모델은 계산량이 가벼워, 일반적인 노트북으로도 1-2시간이내에 에러를 제거할 수 있다.

에러가 제거된 이후 모트 부도체에서의 2차원 브레인 상관관계 함수는 급격하게 증가하는 양상을 보여주었으며, 이를 통해 이론적으로 예측되었던 브레인 질서변수를 최초로 측정할 수 있었다.

이번 연구는 중성원자 광격자계와 같은 아날로그 양자 컴퓨팅 시스템에서 개발된 최초의 에러 보정 방법에 대한 결과로, 향후 다양한 모델로 확장 가능할 것이며, 무엇보다 이론적으로 예측되었던 이차원 비국소 질서 변수를 측정한 최초의 결과이다.

3. 기대 효과

허바드 모델은 광격자 양자 시뮬레이터의 뼈대가 되는 모델로 향후 다양하게 확장가능하다. 무엇보다 확장된 허바드 모델, 스핀 SU(N) 시스템, 및 Kitaev-Heisenberg ladder 모델에서 예측된 Haldane 부도체를 탐색하는 것을 용이하게 한다. 그 외에 페르미 모델로도 적용이 가능하며, toric 코드에 사용되는 wilson loop의 가시성을 높여줄 것으로 기대가 된다. 또한 페르미온 입자에도 응용이 가능할 것으로 예상되며, 이 경우 초전도를 일으키는 페어를 보다 명확하게 관측하는데 활용될 수 있다.

KAIST 홍보실 제공