ICT/융합

중국과기대, 최초로 얽힘 시스템 파동함수의 직접 측정 달성

발행일 : 2019 / 10 / 14

중국과기대 교수 궈광찬(郭光燦)/리촨펑(李傳鋒)/쉬샤오예(許小冶) 연구팀은 스톡홀름대학교(Stockholm University) Yaron Kedem 연구팀과 최초로 다체 비국소 파동함수의 직접 측정을 공동으로 제안함과 아울러 실험적으로 달성했다. 해당 성과는 “Physical Review Letters”에 게재됨과 아울러 “편집자 추천” 논문으로 선정됐다. 미국 물리학회 웹사이트 “물리뉴스·평론” 프로그램은 “얽힘상태 직접 측정”이라는 제목으로 해당 성과를 특별 보고했다.

파동함수는 양자역학의 가장 핵심적인 개념으로서 단량체 또는 다체 양자 시스템에서 그 상태를 파동함수로 완전히 묘사할 수 있다. 현재 가장 일반적으로 사용되고 있는 파동함수의 측정 방법은 양자상태 토모그래피이다. 하지만 해당 방법은 측정 시스템 규모의 증가에 따라 자원 소모가 기하급수적으로 증가한다. 2011년, 약한 측정(Weak measurement) 및 약한 값(Weak value) 기반 단일 광자 공간 파동함수 직접 측정 방법이 제안돼 양자상태 토모그래피의 복잡한 재구성 과정을 회피했다. 하지만 다체 시스템의 비국소 가관측량 약한 값 추출이 어려운 원인으로 다체 특히 얽힘을 함유한 양자 시스템의 파동함수 직접 측정을 달성하지 못했다.

리촨펑 연구팀은 최초로 비국소 가관측량의 양자 측정[Phys. Rev. Lett. 122, 100405 (2019)]을 달성한 후 Yaron Kedem과 공동으로 해밀토니안량에 대한 교묘한 설계를 통해 다체 시스템 국소 가관측량 합의 모듈값(Modular value) 측정을 달성한 후 해당 모듈값과 비국소 가관측량 약한 값의 수학적 관계를 이용해 직접 비국소 가관측량의 약한 값을 측정했다. 해당 방법으로 다체 시스템의 비국소 가관측량의 약한 값 추출 어려움을 성공적으로 해결함으로써 매우 간편하게 다체 비국소 파동함수 측정에 이용할 수 있다. 연구팀은 실험적으로 2광자 초얽힘(Hyperentanglement)을 이용해 성공적으로 2광자 비국소 파동함수의 직접 측정을 시연했다. 또한 2광자를 편광 및 채널이 최대 얽힘상태인 초얽힘 상태에 제조하여 편광 및 채널 사이의 상호작용을 달성했으며 최종적으로 채널 포인터(Pointer)의 다양한 투영 매질에서 카운트(Count)를 통해 2광자 편광 상태의 파동함수를 직접 측정했다.

해당 성과는 최초로 다체 얽힘 시스템 파동함수의 직접 측정을 달성함으로써 향후 양자정보기술로 대규모 얽힘 시스템을 측정하는데 고효율적인 방법을 제공했다. 해당 연구는 또한 파동함수의 직접 측정 기술은 약한 측정이 아닌 약한 값에서 유래됐음을 규명했으며 더욱 주요한 것은 얽힘을 함유한 다체 양자 시스템 파동함수의 직접 측정은 순수한 양자기술로서 고전적인 간섭 과정에 기반하지 않음을 입증했다. 해당 방법은 양자물리 기본 문제 연구에 새 아이디어를 제공함과 아울러 양자정보기술 발전에 중요한 추진 역할을 일으킬 전망이다.