기초과학

중국과기대 세계 최초로 토폴로지 양자오류수정 실현

발행일 : 2012 / 02 / 24

최근 중국과기대 허페이(合肥)마이크로스케일물질과학 국가실험실(준비중) 판지엔웨이(潘建伟)교수가 주도하는 연구팀은 호주와 캐나다의 연구진과 협력하여 토폴로지 양자계산과 양자 오류수정(Quantum error correction) 이론을 결합시키고 토폴로지 특성의 8개 광양자를 이용해 세계 최초로 토폴로지 양자오류수정을 실현하였다. 이 연구성과는 2월 23일에 출판된 ‘컴퓨터의 아버지’라 불리는 앨런 튜링(Alan Turing)의 100주년 탄생을 기념하는「네이처」지에 아티클(Article)로 발표되었다. 이는 양자정보 분야에서 중국이 제1저자 소속기관으로 「네이처」지에 발표된 첫 번째 아티클이다.

양자컴퓨터는 일반 컴퓨터의 한계를 극복할 수 있는 막강한 연산능력을 갖고 있어 21세기 양자 물리학자들이 추구하는 목표가 되었다. 하지만 학술계가 공인하는 물리실현을 장기적으로 저애하는 최대문제인 ‘결어긋남 효과(Decoherence effect)’는 양자 컴퓨터가 불가피하게 환경가운데서 생성되는 각종 소음때문에 계산과정에 유발되는 각종 오류를 그동안 해결하지 못하였다. 국제적으로 과거에 제출했던 많은 양자오류수정방안에는 일반적으로 매번 논리연산마다 양자오류수정 방법을 채택한다. 양자연산 능력을 효과적으로 확장하기 위해서는 매번 논리연산마다 발생하는 오류를 10-5미만으로 낮출 것을 요구하는데 이처럼 낮은 오류허용률은 현재 어떠한 실험수단으로도 실현이 불가능하다.

최근 학술계는 토폴로지 양자오류수정이라는 완전히 새로운 개념을 고안해냈는데, 양자상태의 토폴로지특성을 양자 오류수정에 응용함으로써 양자오류수정과정에 허용가능한 최고의 논리연산에서 발생할 오류를 3자리수 높인 10-2수준으로 확장시켰다. 토폴로지 양자 오류수정방안은 연산정밀도에 대한 요구를 대폭 낮추었고 기존의 실험기술로 실현가능한 수준에 도달시켰다. 현재 알려진 방안가운데 오류 허용률이 최고인 양자연산방안이다.

중국과학원, 과학기술부와 국가자연과학기금위의 지원을 받아 판지엔웨이 연구팀은 3년만에 전혀 새로운 실험기술을 창의적으로 발전시켰고 더블양자 얽힘을 통해 밝음도를 4배 높였으며 8개 광양자의 효율을 최소한 200배 높였다. 80일만에 실험을 마쳤는데 이는 과거에는 거의 실현이 불가능한 일이다. 연구원은 또 특수 소음여과처리를 한 8개 광양자 간섭장치를 설계하여 토폴로지 특성의 8개 광양자를 성공적으로 제어 관측하였으며, 토폴로지 양자 오류수정을 실현하는데 성공했다. 이 연구성과는 양자계산 범위를 유력하게 확장할 것이며 향후 진정한 양자계산을 실현하기 위해 확고한 기반을 다질 것으로 보인다.

논문에 대해 네이처지의 원고심사자는 ‘매우 중요한 원리적인 실험이며 어렵게 성공한 양자광학실험’으로 ‘실험의 완성은 완벽하면서 매우 도전적이며’, ‘토폴로지 오류수정이라는 현재 양자정보처리에서 가장 주목받는 사례 중에서 가장 결정적인 실험검증’이라고 높이 평가하였다. 이에 「네이처」지는 연구성과와 관련하여 ‘Press release’를 발표한데 이어 저명한 양자광학전문가 James Franson 교수를 초청해 ‘News Perspective’프로그램에 해당 연구성과를 소개하는 글을 실었다. 이 성과는 또 영국물리학회의 PhysicsWorld를 비롯한 많은 학술지의 주목을 받았다.

정보출처 : 중국과학기술대학