나노기술 및 정책 정보

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  물질·재료연구기구(NIMS) 국제나노아키텍토닉스연구거점(MANA) Zhi Wang(王志) 리서치 어소시에 이트와 후루츠키 교(古月曉) 주임연구원 등의 연구그룹은 전자쌍의 비국소적 ‘ 양자얽힘 (quantum entanglement)’상태(그림 1)에 관한 최신 이론을 확립하였다. 본 연구 성과는 미국 물리학회지 Physical Review Letters 온라인판에 공개되었다.
  양자얽힘 상태에 있는 전자쌍의 한 쪽을 측정하면 떨어진 장소에 있는 또 하나의 전자의 양자상태를 바로 알 수 있으며 상호제어도 가능하다. 지금까지, 빛의 비국소적 양자얽힘에 대한 검증이 보고되고 있으나, 전자를 이용한 실험은 아직 성공한바가 없다. 이번 발표한 이론으로는 최첨단 나노기술을 구사하여 전자쌍에 대한 정량적인 측정을 할 수 있게 되었다. 빛에 비해 전자의 반응 시간이 짧기 때문에 고속의 양자 계산이나 양자 텔레포테이션(teleportation)방법 확립에 공헌할 것으로 기대한다.
  2개의 양자 상태가 겹침으로써 생성된 ‘양자얽힘’은 양자역학의 근간에 영향을 미치는 특이한 현상이다. 슈뢰딩거의 고양이나 양자역학 탄생기의 아인슈타인과 보아 간의 논쟁등이 매우 유명하다. 지금까지 다른 편광을 갖는 2다발의 빛의 비국소적 양자얽힘의 검증은 성공한 상태이다. 장래의 디바이스를 생각할 때, 소형이면서 동시에 반응 시간이 짧은 전자계에서의 비국소적 양자얽힘의 실현과 제어가 요구된다.

  연구그룹이 주목한 것은 전자쌍의 집합체인 초전도 상태다. 초전도체로부터 전자쌍을 꺼내서 2개의 전자를 각각 다른 장소로 옮기기 위해, 2개의 초전도체의 선단에 양자점이라는 문턱을 설치해 2개의 나노 와이어로 연결시켜(그림 2), 전자간의 쿨롱 척력(Coulomb repulsive force)을 이용하여 전자쌍이 같은 경로를 찾아 가는 것을 방해한다.

  2개의 전자가 상대와의 양자얽힘 상태를 유지하면서 다른 경로를 통해 종점인 초전도체에서 재결합하면 전기저항은 생기지 않지만, 도중에 양자얽힘이 붕괴되면 유한한 전기저항이 생긴다. 다른 경로로 나뉘어서 종점에서 재결합하는 초전도 전자쌍의 수와 같은 경로를 가는 초전도 전자쌍의수의 비율은, 2개의 나노 와이어가 둘러싸는 구역으로 통하는 자속의 변화에 따르는 최대 초전도전류의 진동을 조사하면 알 수 있다는 것을 연구그룹이 해명했다. 비율이 1:1인 진동 주기는 0:1의 진동 주기의 2배가 된다.
  지금까지의 연구에서는 전기저항의 측정으로부터 상기비율을 추측했기 때문에 떨어진 두 전자가 정말로 양자얽힘 상태를 유지하고 있는 것인지 아닌지를 판단하기는 어려웠다. 그러나 이번 방법은 양자상태와 직결된 초전도 전류를 측정하므로 애매함은 없다.
  연구그룹은 2개의 양자점에 각각 1개의 전자를 포획시켰을 경우에 대해서도 조사했다. 양자점에 국재하는 전자쌍이 스핀 반대방향이 되는 일중항(一重項) 상태(그림 1)를 취하면, 초전도 전자쌍의 2개의 전자는 다른 경로를 따라 간 후에 재결합해서 초전도 전류에 기여할 수 있지만, 그렇지 않으면 이 '기여'가 없어진다. 두 가지 경우에서의 초전도 전류의 차이를 이용하면, 각각의 양자점에 포획되어 따로따로 떨어져 있는 두 전자의 양자얽힘 상태를 제어할 수 있다. 이것은 양자계산의 기본이 되는 양자 비트의 새로운 조작 원리를 제공한다