중국과기대, 최초로 얽힘 시스템 파동함수의 직접 측정 달성

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.

“뭐쯔호”를 이용해 세계 최초로 양자얽힘 결잃음 실험적 검증 수행

중국과학기술대학 판젠웨이(潘建伟) 연구팀은 미국 캘리포니아공과대학, 호주 퀸즐랜드대학 등 연구팀과 공동으로 “뭐쯔호(墨子号)” 양자과학실험위성을 이용해 중력장이 양자 결잃음(decoherence)을 초래한다고 예언한 이론모형을 실험적으로 검증하였다. 해당 성과는 “최초 발표” 형식으로 “Science”에 온라인으로 게재되었다.
양자역학과 중력이론을 어떻게 융합시킬지에 관한 논의에 실험적 검증이 부재한 현재에 양자위성은 해당 이론을 검증하는데 이상적인 플랫폼이다. 판젠웨이 연구팀은 지구-위성 간 양자상태 분배에 기반해 일련의 혁신적인 실험연구를 수행했다. 중국은 2016년 8월 16일에 세계 첫 양자과학실험위성 “뭐쯔호”를 발사해서부터 2017년 8월까지 1,000km급 지구-위성 양방향 양자얽힘 분배, 지구-위성 양자암호키 분배, 지구-위성 양자순간이동(quantum teleportation) 등 3대 예정된 과학목표를 원만히 완성했다.
“뭐쯔호”의 전단계 실험작업 및 기술축적을 바탕으로 연구팀은 세계 최초로 우주에서 중력으로 인한 양자얽힘 결잃음 실험적 검증을 수행함과 아울러 지구 중력장을 통과하는 양자얽힘 광자의 결잃음 상황을 테스트했다. 최종적으로 일련의 교묘한 실험설계 및 이론적 분석을 통해 “사건형식” 이론이 예언한 중력장으로 인한 얽힘 결잃음 현상을 확실하게 배제하였다. 뿐만 아니라 실험 관측 결과에 기반해 기존의 이론모형을 수정 보완했다. 수정 후의 이론에 따르면 500km “뭐쯔호” 궤도높이에서 얽힘 결잃음 현상은 비교적 미약하였다. 심층적인 확실성 검증을 위해서는 향후 더 높은 궤도 실험플랫폼에서 연구할 필요가 있다.
해당 연구는 세계 최초로 양자위성을 이용해 지구 중력장에서 양자역학과 일반상대성이론을 융합시키고자 하는 이론을 실험적으로 검증했는데 이는 관련 물리학 기초이론 및 실험연구를 크게 촉진할 전망이다.

화웨이, 세계 최대 속도 AI 훈련 클러스터 Atlas 900 개발

2019년 9월 18일, 화웨이(華為)는 수천 개 어센드 910(Ascend 910) 프로세서로 구성된 세계 최대 속도 AI 훈련 클러스터 Atlas 900을 발표했다. ResNet-50 모델 훈련은 AI 컴퓨팅 능력을 평가하는 주요 표준이다. Atlas 900은 59.8초 내에 훈련을 완료했는데 이는 기존의 세계기록에 비하여 10초 빠르다.
빅데이터 컴퓨팅 및 처리가 필요한 천문연구, 석유탐사 등 분야에서 수개월간 시간을 들여야 완성할 수 있는 작업을 Atlas 900으로 수 초 내에 완성할 수 있다. Atlas 900은 이미 화웨이 클라우드에 배치되어 저렴한 가격으로 전세계 연구기관 및 대학교에 개방하고 있다.
1946년 세계 첫 컴퓨터가 탄생하여서부터 지금까지 컴퓨팅 설비 체적은 지속적으로 작아지고 있지만 기능은 점점 더 강대해지고 있으며 보편화되고 있다. 이와 동시에 “공식을 입력해야 결과를 얻을 수 있는” 규칙 기반 계산 모드는 음성인식, 영상인식, 실시간 번역 등 확정된 규칙으로 묘사할 수 없는 문제를 해결하기 매우 어렵다. 이러한 문제점을 해결하려면 새 모델을 도입해야 한다. 화웨이는 새 통계 기반 계산 모드를 개발했다. 해당 모드는 고도로 해시레이트(Hash rate)에 의존하기에 화웨이는 해당 모드를 “폭력적 컴퓨팅”이라고 명명했다.
화웨이는 해당 컴퓨팅 모드를 인공지능의 발전을 추진하는 기반으로 보고 있으며 또한 해당 분야에서 주도적 지위를 차지할 것으로 전망하고 있다. 5년 후 인공지능 컴퓨팅이 소모하는 해시레이트는 전사회 해시레이트 총 소모량의 80%이상을 차지할 전망이다.
컴퓨팅은 새 지능시대에 진입했으며 컴퓨팅 산업은 블루오션(Blue ocean) 시대를 맞이했다. 화웨이는 프로세서 아키텍쳐를 혁신적으로 개발했고 풀시나리오(Full Scenario) 프로세서에 투자함과 아울러 중점을 틀어쥐는 상업 전략을 견지했으며 개방적 생태 구축에 진력하고 있다.
커넥션(Connection) 및 컴퓨팅은 지능 세계를 지원하는 핵심 기술이다. 해시레이트 하락은 인공지능을 포함한 수많은 영역 혁신의 주요 걸림돌로 되고 있다. 화웨이는 해당 문제를 해결하는 핵심은 프로세서 효율이며 새 프로세서 아키텍쳐로 해시레이트를 매칭하여 속도를 증가시키는 방법은 해당 문제를 해결하는 효과적인 경로라고 주장하고 있다. 따라서 화웨이는 “말단-클라우드-에지” 풀시나리오를 커버리지할 수 있는 다빈치 아키텍쳐 프로세서를 선보임과 아울러 범용 컴퓨팅을 지원할 수 있는 쿤펑(鯤鵬) 시리즈, AI를 지원할 수 있는 성텅(昇騰) 시리즈, 스마트 단말을 지원할 수 있는 치린(麒麟) 시리즈 및 스마트 스크린을 지원할 수 있는 훙후(鴻鵠) 시리즈를 발표했으며 향후 더욱 많은 시나리오에 적합한 프로세서 시리즈를 개발할 예정이다.
2019년 8월 29일, 중국 과기부는 화웨이를 기반으로 기본 소프트웨어/하드웨어 국가 인공지능 개방형 혁신 플랫폼을 구축한다고 발표했다. 화웨이 혁신 플랫폼은 2019년 8월 23일 구축을 완료한 화웨이 풀스택 시나리오 AI 해결 방안을 기반으로 한다. 풀스택 AI의 토대는 다빈치 아키텍쳐 기반의 AI 칩이다.
우수한 아키텍쳐는 실용적인 상업 전략 및 개방된 생태로 구현해야 한다. 컴퓨팅 산업은 고도로 생태에 의존하기에 전세계적 협력이 필요하다. 화웨이는 15억 달러를 투자하여 “옥토 계획(沃土計畫)”을 업그레이드 하여 개발자 규모를 500만 명으로 확장할 예정이다. 2015년, 화웨이는 “옥토 계획”을 발표했으며 현재 130여만 명 개발자 및 14,000여 개 ISV(독립적 소프트웨어 개발상) 규모로 발전했다.

탐지효율 90% 초과하는 단일 광자 탐지기의 산업화 추진

최근 중국과학원 상하이마이크로시스템·정보기술연구소 유리싱(尤立星) 연구팀이 자체로 개발한 단일 광자탐지기는 탐지효율이 90% 이상에 달하는 성과를 거두었고 이에 따른 산업화 과정이 추진 중에 있다. 연구팀이 개발한 저온 초전도 나노와이어 단일 광자 탐지기(SNSPD) 기술은 빛에 민감한 초전도 나노재료의 특성을 이용해 단일 광자를 탐지한다. SNSPD 핵심기술을 보유하기 전 중국 양자통신 시험에 사용된 단일 광자 탐지기의 효율은 20% 밖에 안 되었고 잡음이 큰 단점으로 세계 최고 수준과 거리가 멀었다.
SNSPD시스템의 실용성 및 신뢰성을 확보하기 위해 연구팀은 신형 회로구조 개발을 통해 시스템의 안정성과 신뢰성을 향상시켰다. 또한 응용환경을 실험실환경에서 실제 현장환경에로 확장시켰다. SNSPD시스템은 기계냉각기술에 기반해 플러그 앤 플레이를 실현함으로써 국외 동일 유형 단일 광자 탐지기에 비해 사용자 친화 성능을 대폭 향상시켰을 뿐만 아니라 응용원가를 뚜렷이 낮추어 양호한 보급가치를 보유한다.
2013년에 미국이 규화텅스텐(WSi) 재료를 사용해 개발한 SNSPD 탐지효율은 최대 93%에 도달했다. 그 당시 중국이 질화니오븀(NbN) 재료로 개발한 SNSPD 탐지효율은 4% 밖에 안 되었다. WSi 재료로 제조한 장치는 NbN에 비해 더 낮은 작업온도를 요구하기에 저온 냉각장비 원가도 배로 증가한다. 연구팀은 NbN 재료를 사용한 SNSPD 개발을 견지해 2016년에 세계 최초로 NbN SNSPD 장치의 광섬유 통신 1,550 나노파장 탐지효율을 90% 이상에 도달시켰다. 연구팀은 그 이후로 NbN SNSPD 장치효율의 세계기록을 지속적으로 유지했다.
뿐만 아니라 잡음의 근원을 파악한 토대에서 온칩(on-chip) 집적 저온 필터, 광섬유 말단면(end face) 저온 필터 등 2종 다크카운트(Dark Count) 억제 핵심기술을 개발했다. 해당 방법을 사용한 초저다크카운트 SNSPD시스템은 다크카운트 1Hz 조건에서 80%에 달하는 탐지효율에 도달할 수 있는 세계 최고 수준에 도달했다. 해당 기술은 현재 중국, 미국, 일본 등 3개국의 특허를 획득했다.
SNSPD가 보유하고 있는 효율 등 성능 분야에서의 절대적 우위는 양자통신, 광양자컴퓨팅, 레이저레이더, 심우주통신 등 여러 분야로의 확장응용을 촉진할 수 있다. 상하이마이크로시스템·정보기술연구소는 국가 수요를 만족시키고 시장화 방식을 통한 첨단기술의 자아생존 및 세대교체를 달성하며 과학연구와 산업 간 교량 구축을 목표로 SNSPD기술의 산업화를 추진 중에 있다.

300킬로미터 더블 필드 양자키분배 완벽구현

최근, 중국과기대학 판젠웨이(潘建伟)/장창(张强)/류양(刘洋) 및 칭화대학 왕샹빈(王向斌), 중국과학원 상하이마이크로시스템연구소 유리싱(尤立星) 등은 공동으로 300킬로미터 실제 환경 광섬유에서의 더블 필드 양자키분배를 구현함으로써 장거리 양자 통신 분야 연구에서 중요한 성과를 거두었다. 해당 성과는 “Physical Review Letters”의 인터넷버전에 게재되었다.
연구팀은 300킬로미터 더블 필드 양자키분배를 완벽하게 구현했을 뿐만 아니라 700킬로미터 이상의 광섬유에서 장거리 양자키분배 구현 가능성을 검증함으로써 차세대 장거리 도시 간 양자키분배의 기반으로 될 전망이다.
양자키분배는 사용자 사이에서 보안성이 아주 높은 키분배를 가능하게 함으로써 최고의 보안성 비밀통신을 실현할 수 있다. 그러나 통신 광섬유의 소모와 탐지기 소음 등 원인 때문에 양자키분배 시스템은 일반적으로 100킬로미터 이내에서만 비교적 높은 코드 레이트를 획득할 수 있다.
최근 영국 도시바 회사는 새로운 양자키분배 방안인 더블 필드 양자키분배 방안을 제안했다. 해당 방안은 단일광자의 간섭 특성을 교모하게 이용하여 일반 양자키분배 방안보다 뛰어난 코드 거리를 획득함과 아울러 이론적으로 일반 양자키분배 방안보다 뛰어난 코드 레이터를 획득함으로써 장거리, 고성능의 양자키분배에 새 방향을 제공했다. 하지만, 더블 필드 양자키분배를 실험으로 실현하기에는 조건이 너무 까다롭다.
연구팀은 다양한 실험으로 더블 필드 양자키분배 방안을 검증하고 실제 환경의 위상이 급격히 변화하는 300킬로미터 광섬유 채널에서 더블 필드 양자키분배를 실현하고 통상적인 무중계 양자키분배 방안의 최고 코드 레이트의 이론적 한계를 극복했다. 또한, 탐지기 성능 등을 향상시키는 조건에서 해당 방안이 700킬로미터 이상의 원거리 양자키분배를 구현할 수 있다고 분석하였다.

중국과기대, 양자간섭 실험을 천문학적 규모로 확장

최근 중국과학기술대학 판젠웨이(潘建偉)/루차오양(陸朝陽) 연구팀은 중국내외 협력자와 공동으로 세계 최초로 양자점 단광자(Single Photon)와 태양광 간 2광자 간섭, 양자얽힘, 비국소성 등을 실험적으로 관찰했다. 해당 연구는 독립적 광자 간 양자간섭 실험을 서로 1.5억 km 떨어진 두 개의 독립 광원으로 확장시켰을 뿐만 아니라 최초로 천문학적 규모에서 양자통계 원리의 보편성을 검증함과 아울러 열광 필드(thermal light field) 양자화의 직접적 실험증거를 제시했다. 해당 성과는 “Physical Review Letters”에 게재되었다.
다수 양자정보기술의 기반인 독립적 광자 간 양자간섭 현상은 고전적인 전자기파 원리로 해석할 수 없으며 반드시 광 필드를 양자화 처리해야 한다. 현재 세계적으로 보고된 연구에 의하면 다양한 광원 간 양자간섭은 이미 실현되었다.
중국과기대 연구팀은 최초로 자연적 원거리 열광원인 태양을 이용한 양자광학 실험을 제안했다. 높은 대비도의 양자간섭을 명확하게 관찰하기 위한 실험에서 주요 어려움은 고성능 단일 광자원 및 다자유도 양자 이레이저(quantum eraser) 기술의 개발이다. 판젠웨이/루차오양 연구팀은 펄스 공명으로 마이크로캐비티 결합을 여기시킨 단일 양자점으로 단일편광, 고효율, 고순도, 높은 동일성, 최적 종합성능의 단일 광자원을 구현했다.
이를 토대로 연구팀은 초협대역 필터링, 초단시간 식별 등을 포함한 일련의 양자 이레이저 기술을 개발했다. 실험에서 50% 이상 고전적 한계(classical limit)의 80% 간섭 대비도를 관측함과 아울러 열광(thermal light)의 양자화 성질을 분명히 입증함으로써 천문단위 규모에서 양자 보스(bose) 통계 원리의 보편성을 검증했다. 그리고 태양광 광자와 양자점 단광자 간 충실도가 0.826에 달하는 얽힘상태를 구현함과 아울러 이처럼 공통적인 역사적 유래가 없는 해당 얽힘광자를 이용해 벨 부등식을 검증했고 또한 3배 표준편차 이상의 위반을 실험적으로 획득함으로써 양자역학의 비국소성을 재차 검증했다.

광전식 인코더 자체개발 관련 핵심기술 파악

최근 중국은 최초로 고정밀도 절대치형 로터리 광전식인코더(absolute value rotary photoelectric encoder) 핵심 칩 및 관련 기술을 자체적으로 개발했다.
광학, 전자, 정밀기계 기술의 집대성인 로터리 광전식인코더는 광전원리를 이용해 회전축의 회전각도 변화를 검출하는 센서로서 엘리베이터, 로봇, 드론, 수치제어 공작기계, 정밀조각기, 의료기계 등에 광범위하게 응용된다. 해당 인코더는 스마트제조 실현 과정에서 필수적인 첨단 제어센서설비이다.
현재 중국의 로터리 광전식인코더 핵심 칩의 수입 의존도는 심각하다. 그리고 중국내 관련 업체 첨단제품은 대부분 독일과 일본의 해결방안을 채택하고 있다.
연구팀은 광전식 인코더 핵심기술을 자체적으로 파악함과 아울러 포토다이오드 어레이, 고정밀도 저잡음 연산증폭기, 제2단 고정 게인 증폭기, 백래시(backlash)가 존재하는 히스테리시스 비교기(hysteresis comparator) 등으로 구성된 정밀도가 23자리에 달하는 로터리 광전식인코더 칩을 개발했다. 해당 칩은 마이크로 3채널 광학버니어(optical vernier) 부호화 기술, 실시간 빛의 세기 교정기술을 통합시켜 온도에 따른 LED 발광 변화, LED 노화, 인코딩 디스크(encoding disk)의 기름·먼지 오염, 탐지기 표면의 청결도 미흡 등 환경요인이 인코더 판독 값에 미치는 영향을 제거함으로써 인코더의 반복 정밀도 및 위치결정 정밀도를 향상시켰다.
이외에도 연구팀은 새로운 분리식 인코더 구조를 발명했다. 아울러 해당 구조로부터 새로운 분리식 인코더 교정·설치 방법을 파생시켜 분리식 인코더 교정·설치 과정의 조작 난이도를 낮추었을 뿐만 아니라 분리식 인코더 완제품의 두께를 뚜렷이 감소시켜 인코더 설치공간을 절약했다.

양자 네트워크 비국소성 연구 관련 성과

중국과학기술대학 판젠웨이(潘建偉)/장창(張強)/판징윈(範靖雲) 연구팀은 중국과학원 상하이마이크로시스템정보기술연구소, 상하이교통대학 등 기관과 공동으로 세계 최초로 국소성, 측정 독립성, 얽힘원 독립성 등 허점을 차단한 조건에서 양자 네트워크의 2원 숨은 변수 이론에 대한 실험적 검증을 달성함으로써 양자 네트워크에서의 양자 비국소성 실험연구 및 응용을 위해 새 경로를 개척했다. 해당 성과는 “Nature Photonics”에 온라인으로 게재되었다.
비국소성은 양자역학의 주요 성질이며 또한 아인슈타인이 양자역학의 완전성을 질의한 주요 원인이다. 지난 수십 년 동안 다양한 이체 물리시스템에서 수행한 벨 부등식 위반을 대표로 하는 비국소성 실험적 검증은 모두 양자 비국소성을 지원한다. 이 과정에서 발전된 이론 및 실험기술은 양자정보과학의 발전에 기반을 마련했고 또한 크나큰 추진역할을 했다. 양자 네트워크의 발전과 함께 복잡한 토폴로지 구조 및 상호 독립적 얽힘원은 양자 비국소성에 보다 풍부한 물리적 함의, 보다 많은 잠재적 응용을 부여할 수 있음을 발견했다. 예를 들어 얽힘 교환 네트워크에서 2개의 독립적인 얽힘원에서 유래된 광자는 어떠한 공통역사 및 상호작용이 없이도 양자 얽힘을 발생할 수 있다. 벨의 단일 숨은 변수 이론을 2원 숨은 변수 이론에 합리적으로 확장시키면 각각의 얽힘원에 대응하는 숨은 변수도 상호 독립적이므로 벨 부등식과 유사한 2원 국소 부등식을 도출할 수 있다. 2체 시스템에서의 벨 부등식에 비해 해당 2원 국소 부등식 위반은 비2원 국소성 검증 외, 시스템 대비도에 대한 요구가 낮을 뿐더러 보다 높은 잡음 허용도를 보유한다. 해당 이론은 더 복잡한 양자 네트워크에 확장 가능하다. 최근 설비 독립적 양자정보 처리에서 무허점 벨 검증이 중요하게 응용되는데 비추어 이러한 유형의 다원 비국소성이 양자 네트워크의 설비 독립적 양자정보 처리에서 중요한 역할을 발휘할 것으로 예상된다. 현재 관련 분야 이론연구가 한창인 가운데 양자 네트워크의 다원 국소 부등식 및 그 응용 관련 연구가 이슈로 되고 있다.
하지만 실험에서 2원 국소 부등식에 대한 무허점 검증은 매우 큰 기술적 어려움이 존재한다. 이를 위해서는 기존의 무허점 벨 부등식 검증에서 차단해야 하는 모든 허점 외, 얽힘원 간 독립성 허점도 추가로 차단해야 한다. 하지만 기존 실험에서 어떠한 허점도 성공적으로 차단시키지 못했다.
최근 수년간 판젠웨이/장창 등은 세계 최초로 독립적 얽힘원의 원거리 동기화 기술을 구현함과 아울러 선후하여 도시권 광섬유 네트워크에서 독립적 얽힘원 기반의 양자 순간이동, 100km 얽힘 교환 등 일련의 작업을 수행했다. 이를 토대로 연구팀은 무작위 위상을 보유한 레이저 펄스를 얽힘원의 시드라이트(seed light)로 하여 얽힘원의 독립성을 완벽히 보장하는 한편 얽힘원의 독립성 허점도 차단했다. 연구팀은 고속 편광 변조기를 더 한층 발전시켰고 또한 양자 난수발생기에서 생성된 신호로 편광 변조기를 구동시켰다. 이로써 250MHz 반복주파수 조건에서 광자 편광상태에 대한 99% 충실도의 정밀 조절을 달성했다. 상기 기술의 개발은 비국소성 검증에 필요한 거리 요구를 대폭 낮춤으로써 소형 양자 네트워크 구축만으로도 국소성 및 측정 독립성 허점을 차단시킬 수 있다. 해당 실험에서 연구팀은 2원 국소 부등식의 45개 표준편차에 대한 위반도 달성했을 뿐만 아니라 벨 부등식 위반에 비해 우수한 잡음 허용도를 구현했다.

중국과기대, 최초로 고차원 양자 순간이동 달성

최근, 중국과기대 판젠웨이(潘建偉)/루차오양(陸朝陽)/류나이러(劉乃樂) 연구팀과 오스트리아 빈대학(University of Vienna) Salinger 연구팀은 공동으로 고차원 양자 시스템의 순간이동을 세계 최초로 구현했다. 이는 1997년에 2차원 양자 순간이동 실험 후 최초로 이론 및 실험으로 양자 순간이동을 임의의 차원으로 확장시킴으로써 복잡한 양자 시스템의 완정한 상태 전송 및 고효율 양자 네트워크 구축에 튼튼한 과학 기반을 마련했다. 해당 성과는 “Physical Review Letters”에 게재됐다.
양자정보는 광자, 원자 등 마이크로 입자의 정밀하고 능동적인 조작을 통해 혁신적 방식으로 정보에 대한 암호화, 저장 및 전송을 구현할 수 있기에 정보보안 및 컴퓨팅 속도 등 영역에서 고전 정보기술의 기술적 어려움을 극복할 수 있다. 양자통신은 현재 유일하게 입증된 무조건 보안 통신 방식으로서 정보보안 전송 문제를 효과적으로 해결할 수 있다. 양자 컴퓨팅은 초고속 병렬 컴퓨팅 능력을 보유하고 있기에 암호 분석, 빅데이터 처리 및 재료 설계 등 대규모 컴퓨팅 어려움에 해결 방법을 제공할 전망이다. 양자 순간이동은 양자얽힘을 기반으로 물질 자체를 전송하지 않고서도 미지의 양자상태를 원거리 전송할 수 있으며 또한 원거리 양자통신 및 분포식 양자 컴퓨팅의 핵심 기능 유닛이다.
기존의 모든 양자 순간이동 실험은 양자상태의 2차원 부분 공간(Sub space)에 제한되었다. 고차원 양자상태 순간이동은 1개 양자 시스템의 완정한 전송을 달성하는 마지막 하나의 해결해야 할 문제이다. 하지만 실행 가능한 이론 방안 및 실험 기술 분야에서의 이중적 어려움으로 상기 문제점을 해결하지 못했다. 고차원 시스템에서 차원의 이차항 증가에 따라 증가되는 벨 상태수 및 그에 따라 증가되는 복잡한 얽힘 특성으로 인하여 새로운 실행 가능한 이론 방안을 개발할 필요성이 있다. 실험 기술 분야에서 고차원 벨 상태를 측정하려면 동등 효과로 독립된 광자의 고차원 양자상태 사이의 제어 논리 게이트를 구현해야 하는데 이는 양자 정보기술의 “무인지경”이다.
상기 핵심 문제를 해결하려면 이론 및 실험의 동기적 혁신을 달성해야 한다. 2014년, 판젠웨이/루차오양 연구팀은 다자유도 양자 순간이동 실험을 완료한 후 고차원 프로젝트에 대한 심층적 연구를 수행했다. 연구팀은 이론 분야에서 최초로 광자 시스템의 임의의 차원으로 확장 가능한 벨 상태 측정 및 양자 순간이동 방안을 제안했으며 실험 분야에서 하나의 추가적 보조 광자를 도입해 고안정성 다채널 경로 간섭 기술을 개발함으로써 다광자 다차원 상호작용의 실험 토대를 개척함과 아울러 이를 기반으로 고차원 양자 순간이동을 구현했다. 3차원 양자상태의 전체 12개 비편향 기저 벡터(Basis vector)를 실험으로 테스트한 결과, 측정한 고차원 양자 순간이동 충실도는 75%로써 25개 통계 표준편차로 고전적 한계를 초과했다. 이로써 해당 과정의 비고전성 및 고차원 특성을 엄격하게 입증했다.
고차원 양자 순간이동은 양자통신 분야에서 장기간 존재한 어려움으로서 해당 어려움의 해결은 양자역학적 기본 검사 및 양자 기술의 새 응용 서막을 열었다.

중국 첫 사물인터넷 별자리, 기본적인 네트워킹 운행 달성

2019년 8월 17일 12시 11분, 제룽(捷龍) 1호 상업용 로켓이 최초 발사에서 베이징궈뎬가오커(國電高科)과학기술유한회사가 개발한 톈치(天啟) 별자리의 3번째 업무위성 톈치·창저우호(天啟·滄州號)를 성공적으로 궤도에 진입시켰다. 이는 톈치 사물인터넷 별자리가 기본적인 네트워킹 운행을 달성했음을 의미한다.
중국 첫 네트워킹 운행을 달성한 사물인터넷 별자리인 톈치 별자리는 고효율적인 통신시스템 및 스펙트럼 효율을 사용함으로써 사용자에게 신뢰적이고 경제적인 위성 사물인터넷 서비스 및 업체 해결 방안을 제공할 전망이다. 톈치 별자리는 38개 저궤도, 저경사각 소위성으로 구성됐다. 그중 36개 위성은 궤도 높이를 900km, 궤도 경사각을 45°로 채택함과 아울러 매 하나의 궤도면에 6개 위성을 배치하여 모두 6개 궤도면을 형성했으며 이외 2개 위성은 태양동기궤도 위성이다.
톈치 별자리의 기본적인 네트워킹 운행 달성 후 시간 해상도는 4시간에 달할 예정이다. 2019년 말 전에 톈치 별자리에 5개 위성을 발사하여 시간 해상도를 1시간 이내에 도달시킴으로써 40% 업무량 요구를 만족시키는 한편 2020년에 전체 38개 위성의 네트워킹을 완료함으로써 글로벌 업무 실시간 커버리지 능력을 달성할 계획이다.
위성 사물인터넷 산업의 신속한 발전에 따라 중국, 미국을 대표로 하는 항공우주 기업은 수십 개 저궤도 위성 별자리를 구축해 저궤도 별자리의 광범위한 커버리지, 저시간 지연, 고신뢰도 등 특성 기반 저원가, 고효율 위성 사물인터넷 서비스 제공을 계획하고 있다. 중국의 우주 사물인터넷 구축 “선도자” 톈치 별자리는 최초로 1조 위안(한화로 약 171조 원)급 시장을 이끌 전망이다.
톈치 별자리의 핵심 포인트는 100mW급 단말 출력 달성이다. 전통적인 위성통신 단말은 1W 이하의 출력을 달성하기 어렵다. 톈치 별자리의 목표는 독특한 통신 시스템을 통해 단말 발사 출력을100~500mW로 제어하려는데 있다. 2019년 6월에 발사한 톈치 3호 위성에 대한 궤도상 테스트 결과, 저경사각 조건에서 단말 발사 출력이 500mW이면 90% 이상의 접속 성공률을 유지할 수 있는 외 병행 사용자 접속수도 설계 요구를 만족시킬 수 있다.
톈치 별자리 네트워킹은 해양목장, 수문 모니터링 등 업체의 시범응용을 달성한 후 컨테이너 수송 모니터링, 국가 전력망 모니터링, 환경 모니터링, 삼림 화재방지 모니터링, 농업 사물인터넷 모니터링 등 수십 개 분야에서 위성 사물인터넷 별자리의 시범응용 및 기본적인 모듈화 상업 운영을 수행할 계획이다.