- 새로운 양자측정방법을 통한 효율적인 양자정보기술의 가능성 열어 -

국내 연구진이 많은 수의 광자들을 한꺼번에 순간이동 시킬 수 있는 획기적인 양자 측정 방법을 찾아내어 효율적인 양자정보처리의 가능성을 열었다.

* 광자: 더 이상 쪼갤 수 없는 최소 단위의 에너지를 가진 빛의 알갱이
* 양자 순간이동(quantum teleportation): 양자 얽힘을 이용, 양자정보를 한 곳에서 사라지게 하고 다른 곳에서 나타나게 하는 전송 방법. 양자컴퓨터와 양자 통신 등에 응용
* 양자 얽힘(quantum entanglement): 광자나 원자 등이 양자역학적으로만 설명이 가능한 상관관계를 맺고 있는 상태
 
서울대 물리천문학부 정현석 교수가 주도하고 동일 학부 이승우 교수가 제1저자로 참여한 본 연구는 미래창조과학부가 추진하는 기초연구사업(리더연구자지원)의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 물리학 분야의 권위지인 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters) 3월 17일자 온라인판에 게재되었다.

* 논문명:   Nearly deterministic Bell measurement for multiphoton qubits and its application to quantum information processing

하나의 광자를 순간이동 시키기 위해서는 먼저 얽힌 광자 쌍을 만들어낸 후에 양자 얽힘을 구별해내는 특별한 양자측정(벨 측정이라고 불림)을 수행해야 한다는 것이 알려져 있었다. 그러나 이러한 방법으로 하나의 광자를 순간이동 시키는 것은 양자역학 자체의 불확실성으로 인해 성공확률이 50%를 넘을 수 없다는 문제가 있었다.

이 방법으로 다수의 광자들을 순간이동 시키기 위해서는 하나를 보낼 때마다 각각 양자 측정을 수행해야 하며, 각각의 측정이 모두 성공해야 한다. 따라서 전체 과정이 성공할 확률은 매우 낮을 수밖에 없었으며 이는 양자정보기술의 개발에 큰 장애요인으로 알려져 있었다. 연구팀은 단일 광자들 간의 얽힘이 아닌 많은 수의 광자들이 한꺼번에 얽혀있는 상태를 사용하여 문제를 해결할 수 있음을 밝혔다.

이러한 다광자 얽힘 상태를 이용할 경우 모든 광자들이 서로 얽혀있는 특별한 성질 때문에 단일 광자들에 대한 양자 측정이 단 한번만 성공해도 다광자 얽힘 상태에 포함된 광자들의 수에 해당하는 만큼의 많은 광자들을 순간이동 시킬 수 있게 된다. 연구팀은 또한 이러한 방법이 양자컴퓨터의 효율적 구현에 열쇠가 될 수 있음을 보여 주었다.

기존의 방법과 같이 하나의 광자로 하나의 양자 비트를 구성하는 것이 아니라 여러 개의 광자로 하나의 양자 비트를 구성하여 양자 비트의 전송 및 연산 확률을 획기적으로 높일 수 있으므로 확장성이 있는 양자전산을 수행할 수 있을 것으로 기대된다.

정현석 교수는 “기존에 알려진 한계를 넘어서 양자상태로 존재하는 많은 광자들을 한꺼번에 순간이동 시키는 것이 가능하다는 것을 보인 결과”이며, “양자컴퓨터의 확장성을 개선하는데 유용할 것으로 기대된다.”고 연구의의를 밝혔다.