KAIST, 손상된 '양자얽힘' 되돌리는 기술 개발 성공

▲라영식 KAIST 물리학과 교수

[에너지경제신문 김철훈 기자] 현시대 컴퓨터로는 풀기 어려운 문제를 해결하려는 기술이나 원천적으로 해킹이 불가능한 통신 기술들이 공통적으로 활용하는 기술인 양자정보 기술은 대부분 양자얽힘이라는 양자적 특성을 기반으로 한다.

KAIST(총장 이광형)는 물리학과 라영식 교수 연구팀이 약한 양자측정을 양자얽힘 검증에 도입해 양자얽힘의 직접적 검증을 진행하고, 이 과정에서 손상된 양자얽힘을 되돌림 측정을 이용해 양자얽힘을 원래대로 되돌리는 기술 개발에 성공했다고 10일 밝혔다.

양자얽힘은 고전 물리로 설명될 수 없는 양자 물리의 고유한 특성으로, 서로 멀리 떨어져 있는 두 입자 중 한쪽의 상태가 결정되는 순간 다른 쪽의 상태가 결정되는 독특한 현상을 나타낸다.

양자얽힘의 존재는 양자측정을 사용해 검증해야 하지만, 이러한 측정 과정 자체가 미시 세계에서 일어나는 양자얽힘을 파괴하는 문제가 있어 검증이 완료된 양자얽힘 상태를 차후 양자기술에 활용하는데 어려움이 있었다.

라 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 양자얽힘을 완전히 파괴하지 않는 ‘약한 양자측정’을 도입해 양자얽힘을 검증했고, 이 과정에서 손상된 양자얽힘을 ‘되돌림 측정’을 이용해 원상태로 되돌리는 기술을 개발했다.

‘약한 양자측정’이란 양자상태를 측정할 때 양자상태에 가해지는 변화를 줄이면서도 필요한 정보를 얻어낼 수 있는 양자측정 기술이다.

약한 양자 측정을 양자얽힘 검증에 도입할 경우, 양자얽힘을 완전히 파괴하지 않고도 양자얽힘이 존재하는지 확인할 수 있다.

약한 양자측정 이후 양자상태에 남아 있는 양자얽힘의 양은 원래의 양보다는 적다. 연구진은 ‘되돌림 측정’을 도입해 줄어든 양자얽힘을 원래대로 되돌릴 수 있음을 보였다.

약한 양자측정의 역과정에 해당하는 되돌림 측정은 손상된 양자상태를 일정 확률로 원래대로 되돌려 양자얽힘을 원상태로 복구할 수 있다.

이러한 복구 과정은 앞서 시행한 양자얽힘 검증과 상호 교환 관계가 있어, 연구팀은 두 값을 적절히 조정할 경우 양자얽힘의 존재를 검증함과 동시에 되돌려진 양자얽힘을 다시 활용할 수 있음을 보였다.

라영식 교수는 "이번 연구를 활용해 검증된 양자상태를 양자 암호 키 분배, 양자 원격 전송과 같은 다양한 양자 기술 분야에 적용할 수 있을 것?이라고 연구의 의의를 설명했다.

KAIST 물리학과 김현진 석박사통합과정 학생이 제1저자로 참여하고 정지혁, 이경준 석박사통합과정 학생이 공동저자로 참여한 이번 연구는 저명한 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스’에 2023년 10월 온라인판으로 정식 출판됐다.

한편, 이번 연구는 정보통신기획평가원의 ‘양자인터넷 핵심원천기술 사업’ 및 ‘대학ICT연구센터지원사업’과 한국연구재단의 ‘양자컴퓨팅 기술개발사업’ 및 ‘중견연구자지원사업’의 지원을 받아 수행됐다.

kch0054@ekn.kr