기초과학

중국과학자 8개 광양자 얽힘상태 재차 신기록

발행일 : 2012 / 02 / 16

최근 중국과학원 원사이며 중국과기대학 마이크로스케일 물질과학국가실험실의 판지엔웨이(潘建偉)교수, 천위아오(陳宇翶)교수, 루자오양(陸朝陽)교수는 세계 최초로 8개 광양자의 슈뢰딩거 고양이상태를 성공적으로 실현하여, 기존에 본 연구팀이 다년간 유지해왔던 6개 광양자의 기록을 깨고 광양자 얽힘상태 제조의 세계기록을 세웠다. 이 연구는 2월 12일자의 「Nature Photonics」에 발표되었다.

논문이 2011년 5월말 온라인 arXiv.org에 공개된 후 학술계의 주목을 받았다. 그후 유럽물리학회, MIT Tech Review, PhysOrg, popular science, ZDNet.co.uk 등 구미의 많은 유명 학술지와 매체에 보도되었다. 국제적으로 기타 연구진도 실험으로 8개 광양자의 얽힘상태를 관측하였다고 밝혔으나 판지엔웨이 연구팀은 밝음도, 순도 등 핵심지표가 모두 국제 최고수준을 유지하고 있다.

양자계산을 실용화하기 위해서는 여러 양자상태의 상호 조종에 의존하는 것이 필연적이다. 형상적으로 비유한다면 여러 개의 입자가 얽힌 실험기반을 마치도 양자계산을 조종하는 ‘항공모함’과 같은데, 이러한 담체에 의지해야만 각종 양자계산 방안의 연구가 가능하다. 슈뢰딩거의 고양이상태는 양자세계에서 가장 기묘한 현상으로 양자역학의 이론기초를 쌓았고 여러 입자를 조종하는 핵심기술을 집중적으로 구현한 것이다. 따라서 여러 입자의 슈뢰딩거의 고양이상태를 실현하는 것은 그동안 국제적으로 경쟁이 가장 치열한 분야가 되었다.

중국과학원, 과학기술부와 자연기금위원회의 지원을 받아 2002년에 중국과기대학이 실험실을 설립해서부터 판교수는 줄곧 이러한 중요전략과제 연구에 주력해왔다. 2000년 미국국가표준국이 이온트랩체계에서 최초로 4개 이온의 얽힘상태를 실현하였다. 그후 2004년 판교수팀이 이 기록을 깨고 국제 최초로 5개 광양자의 얽힘상태를 조종하는데 성공했고 네이처에 논문을 발표하여 유럽물리학회와 미국물리학회에 의해 동시에 ‘국제연도 물리학 중대진전’에 선정되었다. 2007년 판교수팀은 또 가장 먼저 6개 광양자의 얽힘상태를 실현하였다. 논문은 「Nature Physics」에 발표되었고 같은해 해당 학술지의 최고 피인용횟수를 기록한 2편의 논문중 하나에 속하였다. 유럽에서 2009년까지 비엔나 대학, 뮌헨 대학과 스톡홀름 대학에서 잇달아 6개 광양자의 얽힘상태를 관측하였다. 2010년 연구진은 세밀한 탐구를 통해 하이퍼 얽힘상태 기술을 새로이 고안해냈는데, 5개 광양자의 극화상태와 공간상태의 상호 중첩에 의해 형성된 10개의 양자비트 슈뢰딩거의 고양이 상태를 완벽하게 실현하였다. 이 연구성과에 대해 원고 심사자는 실험의 쾌거라고 높이 평가하였으며 유럽물리학회 영국BBC에도 보도되었다.

8개 광양자 조종은 양자정보 분야의 차기 중대한 목표이기도 하다. 이 기술은 4개의 독립된 얽힘상태 광원을 제어해야 하고 계수에 부합되는 밝음도가 극히 낮으며, 게다가 여러 개의 소음원이 있는 등의 해결할 난제가 많다. 따라서 극히 도전적인 과제가 되었다. 4년동안의 연구 끝에 판교수연구팀은 여러 개의 광양자 조종기술을 한층 혁신하였고 세계에서 밝음도와 순도가 가장 우수한 펄스 얽힘상태 광원을 시연하였다. 이를 토대로 판연구팀은 세부적인 부분에 대한 최적화를 통해 저소음 8개 광양자 간섭계를 제작하였고 2011년에 세계 최초로 8개 광양자 얽힘기술을 완전히 장악하였다. 이 기술은 즉시 토폴로지 양자 오류정정에 관한 실험연구에 응용되었다.

판교수팀이 새롭게 성과를 올림에 따라 중국은 계속해서 미국, 독일과 오스트리아 등 선진국을 앞서고 있으며 세계적으로 여러 개의 광양자 얽힘 연구분야에서 고지를 선점하였다.

정보출처 : 중국과학기술대학