초고진공 환경에서 나노켈빈의 온도까지 냉각된 중성원자들로 양자다체계를 구성하는 극저온 원자기체 실험은, 고온 초전도체를 기술하는 페르미-허버드 모델 등 강상관계 물질 연구의 핵심적인 이론들에 대한 정밀한 양자 시뮬레이션을 가능케 했다. 하지만 이런 중성원자기체 실험은, 다체계를 이루고 있는 원자들간의 상호작용이 단순한 근거리 등방성 접촉 상호작용으로 기술되기 때문에, 자연물질의 근간이 되는 쿨롱 상호작용이나 스핀 상호작용과 같은 긴거리 혹은 비등방적인 상호작용의 양자 시뮬레이션이 어렵다는 중요한 한계점을 갖고 있다.

본 연구는 이런 문제를 돌파하기 위해 강한 쌍극성 상호작용을 겪는 분자들로 극저온 페르미 양자기체를 생성하고, 분자들의 정밀 제어기술과 고분해능 이미징 기술의 개발을 통해, 쌍극성 분자 기반의 양자 시뮬레이션 및 컴퓨팅 플랫폼을 구축하고자 한다. 이는 p_x+ip_y 위상적 초유체와 같은 비통례적인 양자물질의 생성을 가능케 할 것이며, 고온 초전도체와 유사한 다층 구조에서의 긴거리 페르미 쌍맺음에 관한 연구를 가능하게 해, 강상물질 연구의 여러 난제들에 대한 새로운 돌파구를 제시할 수 있을 것이다. 뿐만 아니라, 분자들간의 긴거리 상호작용은 이들의 내적상태에 저장된 양자정보의 이-큐빗 연산을 가능케 하므로, 양자정보의 저장과 처리가 모두 가능한, 그리고 큐빗 수의 확장이 용이한 새로운 쌍극성 분자 기반의 양자정보 프로세서의 개발을 가능케 할 것이다.

그림 1. 고분해능 이미징 렌즈 밑에 준비된 쌍극성 페르미 분자들의 극저온 양자 격자기체