양자나노과학 연구단

1. 개요

양자나노과학 연구단은 양자나노과학 분야의 연구를 수행하는 기관으로, 설립된 지 얼마 되지 않아 주사 터널링 현미경을 이용하여 원자 단위의 메모리 구현, 단일 원자 핵스핀 측정, 개별 원자의 자기공명영상 촬영 등의 연구 성과를 거두었다. 또한, 깨끗한 표면과 계면의 원자 및 분자의 양자 상태 제어, 고감도 양자 센서 개발, 양자컴퓨팅 기반 기술 개발, 양자 현상 이론 연구 등을 목표로 하며, 2019년에는 서울에서 양자나노과학에 관한 국제 학술회의를 최초로 주관했다. 2018년에는 미국 물리학회, 포사이트 연구소, 과학기술정보통신부 등으로부터 수상 경력을 얻었다.

2. 연구 결과

연구단은 설립 2년 만에 양자 나노과학 분야에서 급성장하는 리더십을 보여주는 여러 연구 결과를 발표했다. 예를 들어, 주사 터널링 현미경을 사용하여 MgO 기판 위의 단일 홀뮴 원자까지 디지털 메모리를 줄이는 연구를 수행했다. 이는 양자 컴퓨팅의 기반으로 작용할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 연구자들은 또한 철 및 티타늄 단일 원자의 핵 스핀을 측정했으며, 에너지 분해능을 10,000배 향상시켰다. 이러한 정밀한 제어는 양자 컴퓨팅의 계산 기반 단위를 만드는 데 기여할 수 있다.

IBM 알마덴과의 협력을 통해 개별 원자에 대한 MRI 스캔을 수행할 수 있었다.

2.1. 원자 수준 메모리 구현

양자나노과학 연구단은 설립된 지 2년도 되지 않아 주사 터널링 현미경을 이용해 디지털 메모리를 산화마그네슘(MgO) 표면의 단 하나의 홀뮴 원자 단위로 줄이는 연구 결과를 발표했다. 이 결과가 발표될 당시 상업화되고 있던 자기 메모리 장치는 같은 양의 데이터를 기록하기 위해 약 백만 개의 원자가 필요했다. 이러한 데이터 저장 축소 능력은 양자 컴퓨팅의 토대가 될 잠재력 또한 가지고 있다.

또한 연구자들은 원자의 핵스핀과 전자의 핵스핀 연구를 결합했고, 그 결과 에너지 분해능이 만 배나 향상된 상태로 철과 티타늄의 단일 원자의 핵스핀을 측정할 수 있었다. 이 정도로 정밀하게 제어한다면 양자 컴퓨팅의 기초 단위 후보군이 나올 수도 있다. IBM 알마덴 연구소와의 협력을 통해 개별 원자의 MRI 촬영에 성공했다.

2.2. 단일 원자 핵스핀 측정

양자나노과학 연구단은 주사 터널링 현미경을 이용하여 디지털 메모리를 산화마그네슘(MgO) 표면의 단 하나의 홀뮴 원자 단위로 줄이는 데 성공했다. 이 결과가 발표될 당시 상업화된 자기 메모리 장치는 같은 양의 데이터를 기록하기 위해 약 백만 개의 원자가 필요했다. 이러한 데이터 저장 축소 기술은 양자 컴퓨팅의 토대가 될 잠재력을 지니고 있다. 연구단은 또한 원자의 핵스핀과 전자의 핵스핀 연구를 결합하여 에너지 분해능을 만 배 향상시킨 상태로 철과 티타늄 단일 원자의 핵스핀을 측정했다. 이 정도의 정밀 제어는 양자 컴퓨팅의 기초 단위 후보군을 제시한다. IBM 알마덴 연구소와의 협력을 통해 개별 원자의 MRI 촬영도 성공했다.

2.3. 단일 원자 MRI 촬영

연구단은 IBM 알마덴 연구소와의 협력을 통해 개별 원자의 MRI 촬영에 성공했다.

3. 연구 방향과 목표

본 연구단은 청정한 표면 및 인터페이스 근처에서 원자 및 분자의 양자 상태를 제어하여 고감도 양자 센서를 활용하고, 단일 원자 및 분자를 큐비트로 사용하여 계산 응용 분야에 활용하고자 한다. 또한, 기체에서 고체 환경으로 변화할 때, 그리고 전도 전자를 포함한 입자 간의 상호작용에서 원자 및 분자의 양자 특성이 어떻게 변화하는지에 대한 이론적 틀을 구축하고, 고체 환경에서 일관된 양자 상태에서 보다 고전적인 시스템으로 전이되는 현상을 이해하는 것을 목표로 한다.

본 연구단은 2019년 서울에서 제1회 양자 나노과학 국제 회의를 개최했다.

3.1. 양자 상태 제어

양자나노과학 연구단은 깨끗한 표면과 계면의 원자와 분자의 양자 상태를 완전히 제어하겠다는 계획을 밝혔다. 이 목표가 이루어질 경우, 고감도 양자 센서와 단일 원자와 분자를 컴퓨팅의 양자비트로 사용하는 것의 기초 연구로 활용될 수 있다. 또한 기체에서 고체 상태로 바뀔 때 원자와 분자의 양자적 성질이 어떻게 변하며 전도 전자와 어떤 상호작용을 하는지에 대한 이론적 틀을 세우고자 한다. 또 다른 목표는 고체 상태일 때 양자 결집 상태에서 보다 고전적인 상태로 변하는 과정을 알아내는 것이다.

또한 양자나노과학 연구단은 2019년에 서울에서 양자나노과학에 관한 국제 학술회의를 최초로 주관했다.

3.2. 양자 센서 개발

양자나노과학 연구단은 깨끗한 표면과 계면의 원자와 분자의 양자 상태를 완전히 제어하겠다는 계획을 밝혔다. 이 목표가 이루어질 경우, 고감도 양자 센서와 단일 원자와 분자를 컴퓨팅의 양자비트로 사용하는 것의 기초 연구로 활용될 수 있다. 또한 기체에서 고체 상태로 바뀔 때 원자와 분자의 양자적 성질이 어떻게 변하며 전도 전자와 어떤 상호작용을 하는지에 대한 이론적 틀을 세우고자 한다. 또 다른 목표는 고체 상태일 때 양자 결집 상태에서 보다 고전적인 상태로 변하는 과정을 알아내는 것이다.

본 연구단은 청정한 표면 및 인터페이스 근처에서 원자 및 분자의 양자 상태를 완벽하게 제어하여 고감도 양자 센서를 활용하고, 단일 원자 및 분자를 큐비트로 사용하여 계산 응용 분야에 활용하고자 한다. 또 다른 목표는 기체에서 고체 환경으로, 그리고 전도 전자를 포함한 입자 간의 상호 작용에서 원자 및 분자의 양자 특성이 어떻게 변화하는지에 대한 이론적 틀을 구축하고, 고체 환경에서 일관된 양자에서 보다 고전적인 시스템으로의 전이를 이해하는 것이다.

3.3. 양자컴퓨팅 기반 기술 개발

양자나노과학 연구단은 깨끗한 표면과 계면의 원자와 분자의 양자 상태를 완전히 제어하겠다는 계획을 밝혔다. 이 목표가 이루어질 경우, 고감도 양자 센서와 단일 원자와 분자를 컴퓨팅의 양자비트로 사용하는 것의 기초 연구로 활용될 수 있다. 또한 기체에서 고체 상태로 바뀔 때 원자와 분자의 양자적 성질이 어떻게 변하며 전도 전자와 어떤 상호작용을 하는지에 대한 이론적 틀을 세우고자 한다. 또 다른 목표는 고체 상태일 때 양자 결집 상태에서 보다 고전적인 상태로 변하는 과정을 알아내는 것이다.

본 연구단은 청정한 표면 및 인터페이스 근처에서 원자 및 분자의 양자 상태를 완벽하게 제어하여 고감도 양자 센서를 활용하고, 단일 원자 및 분자를 큐비트로 사용하여 계산 응용 분야에 활용하고자 한다. 또 다른 목표는 기체에서 고체 환경으로, 그리고 전도 전자를 포함한 입자 간의 상호 작용에서 원자 및 분자의 양자 특성이 어떻게 변화하는지에 대한 이론적 틀을 구축하고, 고체 환경에서 일관된 양자에서 보다 고전적인 시스템으로의 전이를 이해하는 것이다.

3.4. 양자 현상 이론 연구

양자나노과학 연구단은 깨끗한 표면과 계면의 원자와 분자의 양자 상태를 완전히 제어하겠다는 계획을 밝혔다. 이 목표가 이루어질 경우, 고감도 양자 센서와 단일 원자와 분자를 컴퓨팅의 양자비트로 사용하는 것의 기초 연구로 활용될 수 있다. 또한 기체에서 고체 상태로 바뀔 때 원자와 분자의 양자적 성질이 어떻게 변하며 전도 전자와 어떤 상호작용을 하는지에 대한 이론적 틀을 세우고자 한다. 또 다른 목표는 고체 상태일 때 양자 결집 상태에서 보다 고전적인 상태로 변하는 과정을 알아내는 것이다.

양자나노과학 연구단은 2019년에 서울에서 제1회 양자나노과학 국제 학술회의를 주관했다.

4. 수상 경력

* 2018년 미국 물리학회 측정 과학 발전 조셉 F. 키슬리 상 (Joseph F. Keithley Award for Advances in Measurement Science)
* 2018년 포사이트 연구소 파인만 기술상: 표면에서 원자와 작은 분자를 조작하고 이를 데이터 저장 및 계산에 활용하는 기술 발전
* 2018년 과학기술정보통신부 국가연구개발 우수성과 100선
* 2018년 오스트리아 물리학회 막스 아우에르터 상, 파비오 도나티