DGIST, ‘열린 양자 환경’ 양자질서 붕괴 메커니즘 세계 최초 규명

DGIST(총장 이건우) 연구진이 현실 세계의 열린 양자 환경에서 양자 상태가 무너지는 미시적 원인을 규명하며, 이론과 실제 기술 사이의 간극을 메울 결정적 단서를 찾아냈다.

DGIST 화학물리학과 이재동 교수 연구팀은 자연계에 존재하는 열린 양자 환경에서 양자질서가 소실되고 붕괴하는 메커니즘을 세계 최초로 규명했다고 밝혔다. 

이번 연구는 완벽히 고립된 양자계가 존재할 수 없는 실제 환경에서 양자기술이 작동해야 한다는 점에 착안해, 이상적 이론을 현실 공학으로 연결하는 교두보가 될 전망이다.

그간 고체 물질에 강한 빛을 쏠 때 발생하는 고차 조화파 과정에서 1000조분의 1초라는 극히 짧은 순간 양자 상태가 흐트러지는 ‘초고속 전자 결어긋남’ 현상은 학계의 오랜 수수께끼였다. 연구팀은 기존 양자 마스터 방정식의 한계를 넘는 ‘린드블라드 마스터 방정식($Lindblad\ master\ equation$)’ 계산법을 새롭게 개발해 전자와 주변 환경 간의 상호작용을 정밀하게 분석했다.

연구 결과, 고체의 고차 조화파 발생 시 나타나는 ‘초방사(Superradiance)’와 ‘광대역 방출(Broadband emission)’ 사이의 상쇄 간섭이 전자 결맞음 붕괴를 결정적으로 좌우한다는 사실을 확인했다. 이는 고립된 계를 가정한 기존 양자 기술 개념에 중대한 도전이자 새로운 방향성을 제시한 성과다.

이재동 교수는 “이번 연구를 통해 10여 년간 수수께끼로 남아있던 결맞음 붕괴가 열린 양자계의 환경적 상호작용에 기인한다는 것을 알아냈다”며 “이상적인 양자 이론을 현실적이고 신뢰할 수 있는 양자 공학으로 연결하는 길을 열었다는 점에 큰 의미가 있다”고 밝혔다.

한편 배기민 박사가 제1저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업 등의 지원으로 수행됐으며, 과학 분야 권위지인 ‘Advanced Science’에 게재됐다.