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최초로 표준 양자 샤논 이론을 초월하는 양자통신 달성

발행일 : 2020 / 02 / 10

중국과기대 궈광찬(郭光燦) 연구팀의 리촨펑(李傳鋒), 류비헝(柳必恒) 등은 홍콩대학 이론물리학자와 공동으로 최초로 표준 양자 샤논 이론(Shannon theory)을 초월하는 양자통신을 달성했다. 해당 성과는 “Physical Review Letters”에 게재됐다.

샤논 이론은 고전 정보이론의 기반이며 그중 정보 캐리어(Information carrier)는 고전 시스템이다. 20세기 40년대 말, 미국 수학자이며 정보이론 창시자인 클로드 샤넌(Claude Shannon)은 고전물리학적 법칙에 근거하여 데이터 전송 모델을 구축함과 아울러 정보이론을 구축했다. 고전 시스템을 기반으로 구축된 샤논 정보이론은 정보 캐리어(예를 들어 광자) 또는 통신채널(예를 들어, 광케이블)을 모두 고전 시스템으로 간주한다. 이들은 명확한 정의, 완전히 구분 가능한 상태를 보유하고 있다. 물리학자들은 정보이론 기반 양자 버전을 개발하여 정보 캐리어가 양자 시스템일 경우 어떠한 새로운 가능성이 생성되는 지를 연구하고 있다.

정보 캐리어를 양자 시스템에 보급할 경우 표준 양자 샤논 이론을 얻을 수 있다. 양자통신 및 양자정보의 기반인 해당 이론은 이미 양자정보 압축, 잡음 채널에서의 정보 전송, 양자얽힘 보조 기반 양자통신 등 분야에서 크나큰 성공을 이룩했다. 최근 2년 동안 이론적 연구를 통해 여러 개 채널 연결 순서가 결맞음 중첩(Coherent superposition) 상태일 경우 고전 정보 및 양자정보의 전송 속도는 표준 양자 샤논 이론에 비하여 더한층 향상됨을 발견했다. 이에 영감을 받고 리촨펑, 류비헝 등은 광학적 양자 스위치(Quantum switches)를 통해 2개 채널 두 가지 연결 순서 기반 결맞음 중첩 등 기술을 달성함으로써 결맞음 중첩 조작의 충실도를 97% 이상에 도달시켰다. 또한 이를 기반으로 고전 정보 및 양자정보의 고충실도 전송을 각각 달성했다. 실험 결과, 해당 연구는 표준 양자 샤논 이론 통신 모델(전송 경로 비결맞음 중첩)의 결과에 비하여 우수했다.

동 연구는 세계 최초로 양자 채널 인과 관계 순서 기반 결맞음 중첩을 이용해 표준 양자 샤논 이론을 초월하는 양자통신 원리의 실험적 검증을 달성했다. 이는 샤논 이론 제2 양자화(Second quantization)의 중요한 단계이며 양자 컴퓨팅, 양자 정밀 측정 및 양자 시공간 시뮬레이션에서 중요한 용도가 있다.

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