ICT/융합

4차원 얽힘상태를 이용하여 양자 밀집 코딩 최초로 구현

발행일 : 2018 / 07 / 28

최근 중국과학기술대학 궈광찬(郭光燦) 원사팀 리촨펑(李傳鋒)/류비헝(柳必恒) 등은 최초로 4차원 얽힘상태를 이용한 양자 밀집 코딩을 구현하였는데 채널용량은 현재 세계 최고수준인 2.09에 달하였다. 해당 성과는 양자통신에서 고차원 얽힘의 강세를 충분히 보여주었다. 해당 연구성과는 세계 권위적 할술지 “Science Advances”에 게재되었다.

양자 밀집 코딩은 양자암호통신에서 가장 중요한 과정이다. 예를 들어 시작 초기에 A와 B가 한 쌍의 얽힘 광자를 공유한 상황에서 A가 2비트 고전정보를 광자에 코딩한 후 해당 광자를 B에 전송한다. 이어서 B는 보유하고 있는 2개 광자에 대한 벨 상태 측정(Bell state measurement)을 수행한 후 디코딩을 통해 A가 송신한 2비트 정보를 획득한다. 이 과정에서 A는 B한테 다만 1개 양자 비트밖에 전송하지 않았지만 B는 2비트 고전정보를 수신한다. 밀집 코딩과 관련한 가장 주요한 평가 지표는 채널용량이다. 다시 말해 A가 B한테 전송 가능한 비트수는 1개 광자가 전송할 수 있는 비트수이다. 비트 시스템에서 양자 밀집 코딩의 채널용량 한계는 2이다.

비트 시스템의 2차원 얽힘에 비해 고차원 얽힘은 채널용량이 크고 도청 저항성이 양호한 등 장점이 있어 최근 몇 년간 과학계의 광범위한 관심을 받고 있다. 양자 밀집 코딩 관련 아이디어는 1992년에 제안되었고 1996년에 광학시스템에서 최초로 구현하였다. 그 당시 완전한 벨 상태 측정을 실현할 수 없어 1쌍의 얽힘광자로 1.13개 고전비트 밖에 전송하지 못했다. 2017년에 이르러서야 완전한 벨 상태 측정에 기반하여 해당 기록을 1.665에 도달시켰다.

연구팀은 자체적으로 개발한 고품질 3차원 얽힘원을 토대로 충실도가 98%에 달하는 편광—경로 통합 4차원 얽힘원을 제조하였다. 그리고 해당 4차원 얽힘원을 사용하여 5가지 유형의 벨 상태를 성공적으로 식별하였다. 연구팀은 양자 밀집 코딩을 실험적으로 구현하였고 채널용량 기록을 2.09에 도달시켜 2차원 얽힘의 이론적 한계 2를 최초로 초과하였다. 이로써 양자통신에서 고차원 얽힘의 우위를 충분히 보여줌과 아울러 고차원 얽힘의 양자정보 분야 관련 심층적 연구를 위해 중요한 기반을 마련하였다.

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