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최초로 측정 설비 무관성 고차원 양자 조향 달성

발행일 : 2019 / 10 / 29

중국과기대 궈광찬(郭光燦) 연구팀의 리촨펑(李傳鋒)/류비헝(柳必恒) 등은 호주 이론물리학자와 공동으로 최초로 측정 설비 무관성 고차원 양자 조향(Quantum steering)을 실험적으로 관측함과 아울러 이를 이용해 암호 양자난수를 생성했다. 해당 성과는 “Physical Review Letters”에 게재됐다.

양자 조향은 양자얽힘과 벨 국소성 사이의 양자 비국소성 특성으로서 얽힘 입자쌍 중 1개 입자에 작용하는 국소적 측정이 다른 1개 입자 상태에 비국소적으로 영향을 미치는 능력을 묘사한다. 양자 조향은 주로 양자암호키 분배, 양자채널 감별, 난수 생성 등 양자정보 임무에 이용된다. 실험설비 성능의 제한성 또는 “적대자”에 의한 제어 가능성으로 인하여 양자 조향 실험에 결함을 초래한다. 예를 들어 얽힘 광자쌍의 양자 조향 관측은 단일광자 탐지기 효율의 제한성으로 탐지하지 못하는 광자는 원칙적으로 잠재적 “적대자”에 의하여 이용되는데 이로 인하여 양자 조향 실험 결과의 비신뢰성이 유발된다. 해당 문제를 해결하기 위해 이론물리학자들은 “양자 중재(Quantum refereed)” 기반 양자 조향 검증 방법을 설계함과 아울러 제3자의 중재 도입을 통해 양자 조향 실험 검증의 측정 설비와의 무관성을 달성했다.

이에 영감을 받고 리촨펑, 류비헝 등은 측정 설비 무관성 고차원 양자 조향 목격 연산자를 교묘하게 제조함과 아울러 최초로 측정 설비 무관성 고차원 양자 조향을 실험적으로 달성했다. 연구팀은 먼저 파라미터 조건에서의 전환 과정을 이용해 편광 및 경로 자유도에서 일련의 고충실도 3차원 얽힘상태를 제조했다. 다음으로 중재자가 얽힘 쌍방에 대하여 일련의 테스트 요구를 발송함과 아울러 쌍방 데이터를 수집하여 고차원 양자 조향 부등식을 검증했다. 테스트 결과는 최대로 1.983(0.002)에 달하여 3차원 상황의 고전적 이론 한계 1.57을 훨씬 초과함으로써 해당 얽힘상태가 양자 조향 특성을 보유하고 있음을 입증했다.

연구팀은 심층적인 실험을 통해 관측한 데이터를 난수 생성에 응용한 결과, 1개의 얽힘 광자쌍으로 1.106(0.023)비트 암호 양자난수를 획득할 수 있는데 이는 2차원 얽힘상태를 이용해 도달할 수 있는 이론 한계(1비트당 얽힘 과자쌍)를 초과함으로써 고차원 얽힘의 양자정보 과정에서의 장점을 충분히 시연했다. 동 연구는 고차원 시스템 기반 측정 설비 무관성 양자 정보 임무의 첫 실험적 시도로서 양자물리 기본문제 및 측정 설비 무관성 양자정보 과정 연구에 중요한 추진 역할을 제공할 전망이다.