ICT/융합

양자 네트워크 비국소성 연구 관련 성과

발행일 : 2019 / 08 / 29

중국과학기술대학 판젠웨이(潘建偉)/장창(張強)/판징윈(範靖雲) 연구팀은 중국과학원 상하이마이크로시스템정보기술연구소, 상하이교통대학 등 기관과 공동으로 세계 최초로 국소성, 측정 독립성, 얽힘원 독립성 등 허점을 차단한 조건에서 양자 네트워크의 2원 숨은 변수 이론에 대한 실험적 검증을 달성함으로써 양자 네트워크에서의 양자 비국소성 실험연구 및 응용을 위해 새 경로를 개척했다. 해당 성과는 “Nature Photonics”에 온라인으로 게재되었다.

비국소성은 양자역학의 주요 성질이며 또한 아인슈타인이 양자역학의 완전성을 질의한 주요 원인이다. 지난 수십 년 동안 다양한 이체 물리시스템에서 수행한 벨 부등식 위반을 대표로 하는 비국소성 실험적 검증은 모두 양자 비국소성을 지원한다. 이 과정에서 발전된 이론 및 실험기술은 양자정보과학의 발전에 기반을 마련했고 또한 크나큰 추진역할을 했다. 양자 네트워크의 발전과 함께 복잡한 토폴로지 구조 및 상호 독립적 얽힘원은 양자 비국소성에 보다 풍부한 물리적 함의, 보다 많은 잠재적 응용을 부여할 수 있음을 발견했다. 예를 들어 얽힘 교환 네트워크에서 2개의 독립적인 얽힘원에서 유래된 광자는 어떠한 공통역사 및 상호작용이 없이도 양자 얽힘을 발생할 수 있다. 벨의 단일 숨은 변수 이론을 2원 숨은 변수 이론에 합리적으로 확장시키면 각각의 얽힘원에 대응하는 숨은 변수도 상호 독립적이므로 벨 부등식과 유사한 2원 국소 부등식을 도출할 수 있다. 2체 시스템에서의 벨 부등식에 비해 해당 2원 국소 부등식 위반은 비2원 국소성 검증 외, 시스템 대비도에 대한 요구가 낮을 뿐더러 보다 높은 잡음 허용도를 보유한다. 해당 이론은 더 복잡한 양자 네트워크에 확장 가능하다. 최근 설비 독립적 양자정보 처리에서 무허점 벨 검증이 중요하게 응용되는데 비추어 이러한 유형의 다원 비국소성이 양자 네트워크의 설비 독립적 양자정보 처리에서 중요한 역할을 발휘할 것으로 예상된다. 현재 관련 분야 이론연구가 한창인 가운데 양자 네트워크의 다원 국소 부등식 및 그 응용 관련 연구가 이슈로 되고 있다.

하지만 실험에서 2원 국소 부등식에 대한 무허점 검증은 매우 큰 기술적 어려움이 존재한다. 이를 위해서는 기존의 무허점 벨 부등식 검증에서 차단해야 하는 모든 허점 외, 얽힘원 간 독립성 허점도 추가로 차단해야 한다. 하지만 기존 실험에서 어떠한 허점도 성공적으로 차단시키지 못했다.

최근 수년간 판젠웨이/장창 등은 세계 최초로 독립적 얽힘원의 원거리 동기화 기술을 구현함과 아울러 선후하여 도시권 광섬유 네트워크에서 독립적 얽힘원 기반의 양자 순간이동, 100km 얽힘 교환 등 일련의 작업을 수행했다. 이를 토대로 연구팀은 무작위 위상을 보유한 레이저 펄스를 얽힘원의 시드라이트(seed light)로 하여 얽힘원의 독립성을 완벽히 보장하는 한편 얽힘원의 독립성 허점도 차단했다. 연구팀은 고속 편광 변조기를 더 한층 발전시켰고 또한 양자 난수발생기에서 생성된 신호로 편광 변조기를 구동시켰다. 이로써 250MHz 반복주파수 조건에서 광자 편광상태에 대한 99% 충실도의 정밀 조절을 달성했다. 상기 기술의 개발은 비국소성 검증에 필요한 거리 요구를 대폭 낮춤으로써 소형 양자 네트워크 구축만으로도 국소성 및 측정 독립성 허점을 차단시킬 수 있다. 해당 실험에서 연구팀은 2원 국소 부등식의 45개 표준편차에 대한 위반도 달성했을 뿐만 아니라 벨 부등식 위반에 비해 우수한 잡음 허용도를 구현했다.