ICT/융합

중국과기대, 최초로 고차원 양자 순간이동 달성

발행일 : 2019 / 08 / 21

최근, 중국과기대 판젠웨이(潘建偉)/루차오양(陸朝陽)/류나이러(劉乃樂) 연구팀과 오스트리아 빈대학(University of Vienna) Salinger 연구팀은 공동으로 고차원 양자 시스템의 순간이동을 세계 최초로 구현했다. 이는 1997년에 2차원 양자 순간이동 실험 후 최초로 이론 및 실험으로 양자 순간이동을 임의의 차원으로 확장시킴으로써 복잡한 양자 시스템의 완정한 상태 전송 및 고효율 양자 네트워크 구축에 튼튼한 과학 기반을 마련했다. 해당 성과는 “Physical Review Letters”에 게재됐다.

양자정보는 광자, 원자 등 마이크로 입자의 정밀하고 능동적인 조작을 통해 혁신적 방식으로 정보에 대한 암호화, 저장 및 전송을 구현할 수 있기에 정보보안 및 컴퓨팅 속도 등 영역에서 고전 정보기술의 기술적 어려움을 극복할 수 있다. 양자통신은 현재 유일하게 입증된 무조건 보안 통신 방식으로서 정보보안 전송 문제를 효과적으로 해결할 수 있다. 양자 컴퓨팅은 초고속 병렬 컴퓨팅 능력을 보유하고 있기에 암호 분석, 빅데이터 처리 및 재료 설계 등 대규모 컴퓨팅 어려움에 해결 방법을 제공할 전망이다. 양자 순간이동은 양자얽힘을 기반으로 물질 자체를 전송하지 않고서도 미지의 양자상태를 원거리 전송할 수 있으며 또한 원거리 양자통신 및 분포식 양자 컴퓨팅의 핵심 기능 유닛이다.

기존의 모든 양자 순간이동 실험은 양자상태의 2차원 부분 공간(Sub space)에 제한되었다. 고차원 양자상태 순간이동은 1개 양자 시스템의 완정한 전송을 달성하는 마지막 하나의 해결해야 할 문제이다. 하지만 실행 가능한 이론 방안 및 실험 기술 분야에서의 이중적 어려움으로 상기 문제점을 해결하지 못했다. 고차원 시스템에서 차원의 이차항 증가에 따라 증가되는 벨 상태수 및 그에 따라 증가되는 복잡한 얽힘 특성으로 인하여 새로운 실행 가능한 이론 방안을 개발할 필요성이 있다. 실험 기술 분야에서 고차원 벨 상태를 측정하려면 동등 효과로 독립된 광자의 고차원 양자상태 사이의 제어 논리 게이트를 구현해야 하는데 이는 양자 정보기술의 “무인지경”이다.

상기 핵심 문제를 해결하려면 이론 및 실험의 동기적 혁신을 달성해야 한다. 2014년, 판젠웨이/루차오양 연구팀은 다자유도 양자 순간이동 실험을 완료한 후 고차원 프로젝트에 대한 심층적 연구를 수행했다. 연구팀은 이론 분야에서 최초로 광자 시스템의 임의의 차원으로 확장 가능한 벨 상태 측정 및 양자 순간이동 방안을 제안했으며 실험 분야에서 하나의 추가적 보조 광자를 도입해 고안정성 다채널 경로 간섭 기술을 개발함으로써 다광자 다차원 상호작용의 실험 토대를 개척함과 아울러 이를 기반으로 고차원 양자 순간이동을 구현했다. 3차원 양자상태의 전체 12개 비편향 기저 벡터(Basis vector)를 실험으로 테스트한 결과, 측정한 고차원 양자 순간이동 충실도는 75%로써 25개 통계 표준편차로 고전적 한계를 초과했다. 이로써 해당 과정의 비고전성 및 고차원 특성을 엄격하게 입증했다.

고차원 양자 순간이동은 양자통신 분야에서 장기간 존재한 어려움으로서 해당 어려움의 해결은 양자역학적 기본 검사 및 양자 기술의 새 응용 서막을 열었다.