국내 연구진이 양자컴퓨터, 양자통신, 양자센서를 비롯한 양자 기술의 기반이 되는 양자얽힘의 손상을 최소화해 검증할 수 있는 기술을 개발했다. 양자얽힘은 양자 기술을 구현하는 데 필수적인 현상이지만 이제까지는 검증 과정에서 정보가 손상되는 문제를 해결하지 못하던 상황이다.
라영식 한국과학기술원(KAIST) 물리학과 교수가 이끄는 연구진은 10일 손상된 양자얽힘을 원래되로 되돌리는 기술을 개발했다고 밝혔다.
양자얽힘은 서로 멀리 떨어져 있는 두 입자 중 한 개의 상태가 결정되면 다른 입자의 상태도 결정되는 현상을 말한다. 양자얽힘은 빛보다 빠른 속도로 일어나 직접적인 정보 교환이 아닌 양자 세계에서만 일어나는 특유의 현상으로 여겨진다.
양자컴퓨터에도 양자얽힘이 이용된다. 두 개의 큐비트를 하나의 쌍으로 만들면 동시에 두 개의 정보를 나타내는 만큼 정보 처리량을 기하급수적으로 늘릴 수 있다. 다만 양자컴퓨터의 두 개의 큐비트가 얽혀있는지 알기 위해서는 양자측정을 통해 검증이 이뤄져야 한다. 이 과정에서 양자얽힘이 손상되는 현상이 일어나기도 해 검증된 양자 얽힘을 양자 기술에 사용하는 것은 여전히 어려움을 겪고 있다.
KAIST 연구진은 이런 문제를 해결하기 위해 양자얽힘을 파괴하지 않는 '약한 양자측정'을 도입했다. 약한 양자측정은 양자 상태를 측정할 때 발생하는 변화는 최소화하면서 필요한 정보는 얻을 수 있는 기술이다. 이를 양자얽힘 검증에 도입하면 상태를 전부 손상시키지 않고도 양자얽힘의 존재를 확인할 수 있다.
또 약한 약자측정으로 일부 손상된 양자얽힘을 복구하는 기술도 개발했다. 약한 양자측정의 반대 과정을 통해 양자 상태를 일정 확률로 되돌리는 '되돌림 측정'이라는 기술이다.
연구진은 두 가지 기술을 결합해 양자얽힘의 존재를 검증하는 동시에 되돌려진 양자얽힘을 다시 활용할 수 있다는 것을 확인했다. 이번에 개발한 기술이 상용화된다면 다양한 분야의 양자기술의 성능과 신뢰성을 높일 수 있을 것으로 기대를 모은다.
라 교수는 "검증된 양자상태를 양자 암호 키 분배, 양자 원격 전송과 같은 분야에 적용할 수 있을 것ˮ이라고 말했다.
연구 결과는 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스'에 이달 4일 소개됐다.
참고자료
Science Advances, DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adi5261