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자성체 물질은 하드 디스크와 같은 전자제품을 비롯해 전력 발전 등에도 사용되고 있다. 최근에는 상온 자성체를 넘어서 양자 특성이 두드러지는 초저온에서 양자 자성체 특성에 관한 연구가 활발하다.
유명 물리학자 리처드 파인만은 지난 1983년 양자계의 특성을 인공적인 양자계로 모방해 연구하는 양자 시뮬레이션을 제안했다. 인공적으로 모방한 양자계 특성을 연구하면 기존 양자계의 특성을 알아낼 수 있다.
양자 시뮬레이션을 이용한 양자 자성체 연구는 지난 10년간 세계 유수의 대학과 연구소에서 이뤄져 왔다. 이전까지 알려지지 않은 양자 물질의 특성들을 실험적으로 확인했다. 최근 양자 물질 시뮬레이션의 주요 이슈는 극단적인 상황 속 양자 물질의 현상을 관찰하는 것이다.
양자 시뮬레이션을 하는 양자 컴퓨터 플랫폼으로 최근 가장 주목을 받는 것이 리드버그 원자다. 리드버그 원자는 최외각 전자가 이온화되어 떨어지기 직전의 높은 에너지를 머금고 있는 원자이다. 일반 원자의 만 배 정도의 지름을 가지며 10의 24제곱배 정도 더 큰 상호작용을 한다.
연구팀은 리드버그 원자를 이용한 양자 컴퓨터를 이용해 양자 자성체를 설명하는 모형 중 하나인 하이젠베르크 모형을 양자 컴퓨터로 모방해 구현했다.이전의 하이젠베르크 모형 구현과 달리 리드버그 원자의 강한 상호작용을 이용한 극단적 이방성(3차원 중 특정 방향이 다른 방향 대비 1000배 이상 강하게 상호작용하는 특성으로 새로운 연구영역이 확보됨)을 구현했다.
안재욱 KAIST 물리학과 교수는 “리드버그 양자컴퓨터를 이용해 새로운 양자 물성을 연구할 수 있음을 확인했다”라며 “양자컴퓨터를 이용하는 물성 연구가 활발해질 것”이라고 기대했다.
연구 결과는 국제 학술지 ‘피지컬 리뷰 X(Physical Review X)’ 2월 14권에 출판됐다.
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