나날이 늘어나는 정보처리의 양과 그에 부응하는 직접화 기술의 발달로 각종 전자소자의 크기가 끊임없이 줄어 들고 있다. 이미 마이크론 단위는 상용 소자에서 보편화 되었으며, 현재 나노미터 혹은 그 이하의 단위에서 작동하는 소자가 활발히 연구되고 있다.
마이크론 단위 혹은 그 이상의 거시계에서와는 달리, 나노미터 혹은 그 이하의 단위에서는 양자현상이 여러 물리현상을 지배하게 된다. 기존의 소자개발의 관점에서 볼 때, 양자현상은 대부분 방해 요소로 작용하며, 따라서 마이크론 혹은 그보다 약간 작은 단위에서 점차 나타나기 시작하는 양장현상을 어떻게 피할 것인가가 중요했었다. 그러나, 양자현상이 더이상 피할 수 없을 만큼 지배적으로 나타나는 나노미터 단위에서는 양자현상을 능동적으로 제어하며 이용하는 것이 매우 중요하다. 실제로, 최근 크게 관심을 불러일으키고 있는 양자컴퓨터에대한 연구결과들은 이런 양자현상들을 잘 이용할 경우 고전적인 물리현상에 의존해서는 얻을 수 없는 놀라운 효과들을 기대할 수 있음을 보여주었다.
양자현상은 입자-파동의 이중성 (particle-wave duality), 중첩 및 간섭성 (superposition and interference), 그리고 얽힘과 비국소성 (entanglement and non-locality) 등 크게 세가지 형태로 나타나게 된다. 이러한 양자현상이 물리계의 특성에 미치는 영향에 대한 척도가 되는 것이 양자적 결맞음(quantum coherence) 및 결어긋남(decoherence)이다. 즉, 결맞음이 강할수록 양자현상이 뚜렷하게 나타나며 물리현상은 양자역학의 원리의 지배를 받는다. 반대로 결어긋남이 많을수록 양자현상이 미치는 영향은 미미해져서 고전적인 물리현상에 가까와지게 된다.
양자 결맞음이 나노물리(nanoscale physics)에서 중추적 역할을 한다는 사실은 지난 10여년간 국내.외의 활발한 연구를 통해서 잘 알려져 있다. 특히, 탄소나노튜브, 양자선, 양자점, 2차원 전자계 등 저차원 나노물리계에서 전자수송현상에 미치는 결맞음 효과는 현재 가장 활발하게 연구되어지고 있는 주제 중의 하나다.
그러나, 아직까지도 결맞음에 관한 연구는 시작단계에 있다고 봐야 할 것이다. 우선, 저차원 낮은 온도에 있는 전자계에서 결어긋남의 근본적인 물리적 원리가 알려져 있지 않다. 특히 전자 상호작용과 결어긋남의 상관관계는 최근 큰 논란의 대상이 되고 있다. 둘째, 결어긋남을 일으키는 주변계(environment or decoherence sourse)에 대한 체계적인 연구가 되어있지 않다. 소자와 크고 작은 상호작용을 주고 받는 주변계에 대한 물리적 특성과 상호작용 자체의 특성은 결어긋남을 이해하는 중요한 열쇠가 된다. 세째, 지금까지는 주로 결맞음 및 결어긋남 현상 자체에 연구의 촛점이 맞춰져 왔다. 그러나, 양자현상을 좀더 능동적으로 이용하기 위해서는 결맞음 및 결어긋남을 제어할 수 있어야 한다. 특히, 양자 컴퓨터와 관련하여 결맞음 제어(coherence control)는 필수적인 요소이다. 끝으로, 양자 얽힘 및 비국소성에 대한 연구는 아직 초보적이다. 양자전송 및 양자통신에서 특히 큰 역할을 담당하고 있는 양자 얽힘은 일반적으로 단순한 중첩보다 그 생성 및 유지가 어렵다. 얽힘에대한 제어는 매우 중요한 물리학적, 기술적 도전이 될 것이다.