중국과학원 다롄(大連)화학물리연구소 연구팀은 “가장 간단한” 화학반응인 수소원자 플러스 수소분자의 동위원소(H+HD→H2+D) 반응에서 “간단치 않은” 화학반응 중 새로운 양자간섭 효과를 발견함으로써 화학반응 과정에 대한 심층적 이해를 돕고 화학반응에 대한 인식을 높였다. 해당 논문은 “Science”에 온라인으로 게재되었다.
연구팀은 선행 이론 연구를 통해 특정 산란 각도에서 H+HD 반응으로부터 생성된 H2(수소분자)가 충돌 에너지에 따른 매우 규칙적인 진동을 다소 나타냄을 발견하였다. 유사한 규칙적 충돌 에너지 변화에 따른 진동 현상은 실제로 적지 않은 반응의 이론 계산 결과에 출현한바 있다. 하지만 이러한 진동 모두 H+H2 반응처럼 규칙적이지 못하다. 과학계는 지금까지 이 같은 현상과 관련해 명백한 해석을 내놓지 못하고 있다.
이와 관련해 연구팀은 이론과 실험을 결합시킨 상세연구를 수행하였다. 이론적으로 양자 반응 산란 이론을 더한층 발전시켰고 또한 위상학(topology) 원리로 화학반응 발생 경로를 분석하는 방법을 창조적으로 개발하였다. 실험적으로 개선된 교차 분자빔(crossed molecular beam) 장치를 통해 비교적 높은 충돌 에너지 부위 후방 산란(산란 각도 180˚) 신호 정밀 측정을 달성하였다.
위상학적 분석 결과 이 같은 후방 산란 진동은 실제로 2개 반응 경로의 간섭에서 초래된 것으로 나타났다. 해당 2개 반응 경로 모두 후방 산란에 뚜렷한 기여를 하였지만 각자의 변동폭은 충돌 에너지 변화에 따라 유의적으로 변화하지 않는 등 한 가닥의 비교적 매끈한 곡선을 그렸다. 그 중 한개 위상은 충돌 에너지 변화에 따라 선형 증가하였고 다른 한개는 선형 감소하였다. 때문에 상호간섭의 결과는 강렬한 규칙적 진동 현상으로 표현된다.
전통적 궤적 이론으로 심층 분석한 결과 그 중 한개 반응 경로는 익숙히 알려진 직선 반응 과정에 대응하였는데 H 충돌 후 HD 중의 H 원자를 직접 빼앗아 갔다. 다른 한개 반응 경로는 로밍(Roaming) 메커니즘 유사 반응 과정에 대응하였는데 H 충돌 후 HD 중간에서 한참 회유하고 나서야 HD 중의 H 원자를 빼앗아 갔다. 상기 2개 서로 다른 유형의 반응 경로에서 생성된 수소 분자는 특정 산란 각도에서 한데 모여 간섭을 일으켰다. 이로부터 반응산물인 수소 분자가 규칙적인 진동을 일으킴을 알 수 있다. 특히 흥미로운 점은 로밍 메커니즘을 통해 발생된 반응은 충돌 에너지 연구범위에서 전체 반응성의 약 0.3% 밖에 차지하지 않는다는 점이다. 연구팀은 이론 및 실험으로 이처럼 미약한 소부분의 반응성을 또렷하게 규명하였다.
해당 연구는 한편으로 원자와 분자가 충돌로 인해 화학반응을 발생하는 과정의 양자성(quantum)을 규명하였고 다른 한편으로 이처럼 간단한 시스템에도 과학계가 알지 못하는 부분이 존재한다는 사실 즉 화학반응 경로의 복잡성을 보여주었다.

중국과학기술대학교 판젠웨이(潘建伟)/펑청즈(彭承志)/쉬페이후(徐飞虎) 연구팀은 “모쯔호(墨子号)” 양자과학실험위성을 이용하여 세계 최초로 양자 보안 시간 전송의 원리성 실험 검증을 달성함으로써 향후 안전한 위성 항법 시스템을 구축하기 위한 기반을 마련했다. 해당 성과는 “Nature and Physics”에 온라인으로 게재되었다.
고정밀도 시간 전송은 내비게이션, 포지셔닝 등 응용 분야의 핵심 기술이다. 현재 광범위하게 사용되고 있는 시간 전송 기술은 주로 위성 항법 포지셔닝, 광섬유 네트워크 등 시간 전송 솔루션을 포함한다. 최근, 시간 전송의 보안성이 많은 관심을 받고 있다. 컴퓨터 네트워크, 금융, 전력 에너지 네트워크와 같은 다양한 네트워크 시스템에는 모두 통일된 시간 기준이 필요하다. 이러한 시스템이 악의적인 공격을 받을 경우, 이로 인한 시간 오류는 네트워크 붕괴, 위성 항법 오류 등 중대한 보안 사고를 유발한다. 그러나 기존에 널리 사용되고 있는 시간 전송 기술은 데이터 변조, 신호 위장 등 다양한 공격의 잠재적 위험에 직면해 있다.
양자의 비클론성 원리에 기반하여 단일광자 양자 상태를 캐리어로 사용하는 시간 전송 기술은 신호 전송 과정의 안전성을 근본적으로 보장할 수 있다. 연구팀은 최초로 양방향 자유공간 양자 키 분배 기술에 기반한 양자 시간 동기화 솔루션을 제안했다. 해당 솔루션에서, 단일광자 양자 상태는 동시에 시간 전송과 키 분배의 신호 캐리어가 되어 시간 동기화와 키 생성을 수행한다. 이 과정에서 생성된 키는 클래식 시간 데이터를 암호화하는데 사용되므로 시간 데이터의 안전한 전송을 확보한다.
연구진은 “모쯔호” 양자과학실험위성에 기반하여 위성과 지상국 사이의 단일광자 시간 전송, 고속도 위성-지구 양방향 비동기 레이저 시간 응답기 등 핵심 기술을 파악하여 위성과 지상국 사이의 양자 보안 시간 동기화 기술 검증을 달성했다. 30ps의 정밀한 위성-지구 시간 전송을 구현함으로써 위성-지구 레이저 시간 전송의 세계적인 선진 수준에 도달했다.
해당 연구 성과는 공간 양자 실험 분야의 기존 기술을 돌파하고 양자 기술의 실용화에 중요한 기여를 하였으며 양자 정밀 측량 분야의 연구와 응용을 대폭 추진할 전망이다.

중국과학원 상하이광학정밀기계연구소 정보광학광전기술실험실은 독일 슈투트가르트 대학교(Universität Stuttgart) 응용광학연구소, 미국 매사추세츠공과대학교(Massachusetts Institute of Technology)와 공동으로 물리적 모델과 심층 신경망에 기반한 신형 전산 이미징(Computational imaging) 방법을 제안하고 실험적으로 검증했다. 대량의 라벨링 데이터가 필요 없이 신경망 트레이닝을 달성할 수 있는 해당 방법은 인공지능 기술의 전산 이미징 분야에서의 광범위한 응용을 효과적으로 촉진할 전망이다. 해당 성과는 “Light: Science & Applications”에 온라인으로 게재되었다.
딥러닝 기반 기술은 전산 이미징 분야에 널리 응용되었으며 위상 회복, 디지털 홀로그래픽(digital holographic), 단일 픽셀 이미징, 산란 이미징 등 여러 분야에서 일련의 눈부신 성과를 달성했다. 그러나 전통적인 딥러닝 기반 전산 이미징 방법은 주로 지도형 기계 학습 전략을 사용하기 때문에 신경망을 트레이닝하기 위한 대량의 라벨링 데이터를 확보해야 하며, 수집된 데이터의 양과 품질은 획득한 모델의 성능에 큰 영향을 미친다. 그러나 실제 응용에서 이러한 조건을 충족시키기 어렵다. 기존의 연구에서 이미징 시스템의 순방향 물리적 모델이 알려진 경우, 시뮬레이션을 통해 트레이닝 데이터를 생성할 수 있는 것으로 알려지었지만 신경망의 일반화는 항상 제한되었으며 획득한 모델은 트레이닝 세트와 유사한 장면에서만 좋은 결과를 얻을 수 있다.
딥러닝 기반 전산 이미징 방법에서 트레이닝 데이터 획득이 어렵고 모델 일반화가 제한되는 어려움을 해결하기 위해, 연구진은 물리적 모델과 신경망을 결합하는 방법(Physics-enhanced deep neural network, PhysenNet)을 제안하고 물리적 모델로 트레이닝 데이터를 대체함으로써 네트워크 매개변수의 최적화를 구동했다. 전통적인 데이터 구동의 엔드투엔드(End-to-End) 딥러닝 방법에 비해 PhysenNet는 트레이닝 데이터가 필요 없는 보편성을 구비한 방법이다. 모델 구동의 최적화 알고리즘과 비교하여, PhysenNet는 명시적 규칙항을 사용하지 않고도 병적 역문제(감지된 물리적 측정에서 원시물체 정보를 복구하고 감지 단계에서 위상 등 정보를 잃음)를 해결할 수 있다.
연구진은 전산 이미징의 전형적인 예(example)인 위상 이미징으로 해당 방법의 효과성을 검증했다. 연속 반복을 통해 신경망 출력 결과가 회절 전파와 측정 과정(물리적 모델)을 거친 후 계산으로 획득한 회절 강도 그래프를 점차 실제 측정한 회절 강도 그래프에 가깝도록 한다. 반복이 진행됨에 따라 신경망의 출력 결과도 실제 얻으려는 위상 물체에 접근한다(그림 1). 실험 결과(그림 2)에 따르면, 하나의 회절 강도 그래프만 사용하는 경우, PhysenNet의 복구 효과는 여러 개 탈초점면 사이에서 왕복으로 반복해야 하는 Gerchberg-Saxton(GS) 알고리즘의 복구 효과보다 우월하며 디지털 홀로그래픽 방법으로 복구한 효과에 가깝다. 해당 방법은 정방향 물리적 모델의 기존에 알려진 많은 전산 이미징 방법에 응용할 수 있다.

그림1: PhysenNet 원리도

그림2: 실험 결과
(a) 실험 장치 (b)와 (g)의 두 위상형 물체의 회절강도 그래프는 각각 (c)와 (h)이다. PhysenNet, 디지털 홀로그래픽 및 GS 방법을 이용하여 복구된 결과는 각각 (d)와 (i), (e)와 (j), (f)와 (k)이다.

상하이이공대학교 좡쑹린(莊松林)/구민(顧敏) 연구팀은 최초로 기계학습 인버스디자인(machine-learning inverse design)을 이용해 3차원 벡터 홀로그래피(Three-dimensional vectorial holography)라는 신개념을 발명하였다. 해당 발명은 광학 홀로그래피 기술 분야의 획기적 성과이다. 동 발명에 기입된 기계학습 기반 인버스디자인은 1개 또는 여러 개 임의의 3차원 벡터 라이트필드(Light-field)를 정확하고도 신속하게 생성할 수 있기에 초광대역 홀로그래픽 디스플레이, 초안전 정보 암호화, 초용량 광저장, 초정밀 입자 조종 등 분야에 응용될 전망이다. 해당 성과는 “Science Advances”에 게재되었다.
빛은 전자기파로서 매질 중 전파와 동시에 전자기 및 자기장의 진동을 동반하는데 이를 빛의 벡터 특성이라 부른다. 광파(optical wave)의 횡파 특성으로 인해 빛의 진동은 일반적으로 전파방향과 수직되는 2차원 평면 위에 제한된다. 최근 연구를 통해 빛의 진동은 기존 2차원 평면의 제한으로부터 자유로울 수 있음을 발견하였다. 즉, 간섭을 통해 제3의 벡터 종방향 진동을 발생할 수 있다.
물리학적 측면에서 3차원 맥스웰 방정식(Maxwell’s Equation) 해법을 통해 1개의 3차원 벡터 라이트필드 분포를 순방향으로 획득할 수 있지만 그 제어가 어렵다. 세계적 난제로 남아있는 임의의 3차원 벡터 라이트필드 정밀 생성은 매우 복잡한 인버스디자인을 필요로 하는 등 인간의 지식·경험의 한계에 도전한다.
연구팀이 기계학습 인버스디자인을 이용해 최초로 구현한 3차원 벡터 홀로그래피는 3차원 홀로그램 중 각 픽셀 임의의 3차원 벡터상태에 대한 정밀 제어가 가능하다.
연구팀은 기계학습 기반 인공지능 새 기술을 통해 최초로 3차원 벡터광에 대한 조종을 구현함과 아울러 기계학습 알고리즘을 광학 홀로그래피에 확장시킴으로써 각 3차원 벡터광 정보에 대한 부호화, 전송, 복호화 등 전방위적 조종을 구현하였다. 이로써 기존 2차원 편광(polarized light)의 제한을 극복하였다.
기계학습은 광학설계에서 날로 중요한 역할을 담당하고 있다. 훈련을 거친 인공신경망은 임의의 3차원 벡터 라이트필드를 효과적이고도 신속하게 생성할 수 있을 뿐만 아니라 그 정확성이 100%에 달해 라이트필드 조종 효율을 대폭 향상시킨다.
해당 발명은 광학 홀로그래피를 위한 새로운 경로를 개척하였다. 연구팀은 최초로 홀로그래피에서 빛의 3차원 벡터상태가 독립적 정보 담체로 될 수 있음을 입증함과 아울러 정보 부호화 및 다중화(Multiplexing)를 달성하였다. 해당 발명은 광학 홀로그래피 기술 분야의 획기적 성과로서 차세대 초광대역, 초대용량, 초스피드 병렬처리 광학 홀로그래피 시스템에 기반을 마련함과 아울러 빛과 물질의 상호작용(예를 들어, 입자 조종) 심층적 이해에 참신한 플랫폼을 제공하였다.

중국과학기술대학교 궈광찬(郭光灿) 연구팀, 리촨펑(李传锋)/황윈펑(黄运锋) 연구팀, 지난(暨南)대학교 리차오후이(李朝晖) 연구팀, 중산(中山)대학교 위쓰위안(余思远) 연구팀은 최초로 킬로미터급 3D 궤도 각운동량의 얽힘 분배를 구현함으로써 향후 공간 모드 다중화 기술을 이용하여 장거리 고차원 양자 통신 작업을 달성할 수 있는 가능성을 마련했다. 해당 성과는 “Optics”에 게재되었다.
양자 얽힘은 양자 통신, 양자 정밀 측정 및 양자 컴퓨팅 등 양자 정보 프로세스의 주요 자원이다. 양자 얽힘의 장거리 분배는 양자 기술의 실용성 및 양자 물리학의 기본 문제 검사에 있어서 매우 필수적이다. 고차원 시스템은 더 높은 채널 용량, 더 강력한 도청 방지 기능 및 보다 효과적인 양자 컴퓨팅 기능을 구비한다. 광자의 궤도 각운동량은 최근 광범위한 관심을 받고 있는 고차원 시스템으로 차원 확장에서 매우 큰 장점을 갖고 있다. 그러나 궤도 각운동량 얽힘은 대기 난류 또는 광섬유의 모드 혼선 및 모드 분산의 영향으로 기존에는 수 미터 거리 전송만 가능했으며 이 또한 2차원 얽힘의 분배에 제한되었다.
고차원 궤도 각운동량 얽힘 분배 문제를 해결하기 위해 연구팀은 광자 공간 분할 다중화에 적합한 소모드 광섬유를 자체 개발하고 궤도 각운동량 모드 분산 사전보상 장치를 설계하여 최초로 1Km 광섬유에서 3D 궤도 각운동량 얽힘 광자쌍의 분배를 구현했다. 분배 후의 양자 상태는 일반화된 벨의 부등식(CGLMP 부등식)에 의해 검증되었고 3개 표준 편차의 부등식 위배를 획득함으로써 양자 상태의 고차원 비국소성을 검증했다. 또한, 광섬유의 모드 분산 및 디코히어런스(Decoherence) 특성에 대해 연구팀은 차원과 전송 거리를 심층 확장하기 위한 구현 방안을 제안했다.

베이징대학교 물리대학 양자재료과학센터 왕젠(王健) 연구팀은 미국 보스턴칼리지(Boston College, BC) 왕쯔창(汪自強) 연구팀 등과 공동으로 최초로 2차원 철 기반 고온 초전도체의 1차원 원자 사슬(Atomic chain) 결함 양단에서 마요라나 제로에너지 모드(Majorana zero-energy modes)를 발견함으로써 토폴로지 양자컴퓨팅의 최종 달성에 주요한 기반을 마련했다. 해당 성과는 “Nature Physics”에 온라인으로 게재됐다.
최근년래 클래식 컴퓨터의 연산능력을 능가하는 양자컴퓨터 개발은 세계 프런티어 연구 관심사 및 양자 초월을 달성하는 핵심 방향으로 되었다. 하지만 양자컴퓨팅은 결잃음 효과가 존재하기에 큐비트의 연산은 많은 비트수에 의한 얽힘을 요구한다. 따라서 고장 허용 양자컴퓨팅 즉 환경에 대해 민감하지 않은 토폴로지 양자컴퓨팅 연구는 최종적으로 규모화 양자컴퓨팅을 달성하는 주요 경로이다.
응집상태 물질 중 마요라나 준입자의 제로에너지 구속 상태를 마요라나 제로에너지 모드라 부른다. 해당 모드는 국부적 간섭 및 높은 고장 허용 특성을 구비하고 있기에 토폴로지 큐비트를 달성하는 기반으로 각광 받고 있다. 마요라나 제로에너지 모드를 연구하려면 구조 공법이 복잡한 헤테로구조가 요구될 뿐만 아니라 극저온 및 외부 자기장을 관측해야 하기에 마요라나 제로에너지 모드의 응용에 어려움을 가져다주었다.
연구팀은 분자빔 에피택시 기술을 통해 스트론튬타이타네이트(SrTiO3)기질(Substrate)에 두께가 약 0.59 nm에 달하는 대규모, 고품질의 단일층 FeTe0.5Se0.5고온 초전도 박막을 성공적으로 제조했다. 해당 박막의 초전도 천이 온도는 약 -211℃로 블록재 Fe(Te, Se)의 -258℃에 비하여 훨씬 높다. 원위치 저온 주사터널현미경 및 주사터널 스펙트럼 기술을 이용해 연구팀은 박막 표면에서 최상층 Te/Se 원자 결실로 형성된 1차원 원자 사슬 결함을 발견함과 아울러 결함 양단에서 동시에 제로에너지 구속 상태를 관측했는데 해당 구속 상태는 양호한 항간섭성을 보유하고 있다.
동 연구는 최초로 2차원 고온 초전도체 FeTe0.5Se0.5단일층 박막의 토폴로지 라인 결함 말단부 제로에너지 여기는 단일 재료, 비교적 높은 작동 온도 및 제로 외부 자기장 등 장점을 보유하고 있음을 규명했다. 이는 토폴로지 큐비트의 응용 달성에 가능한 방법을 제공했다.

지난(济南)양자기술연구원 왕샹빈(王向斌), 류양(刘洋) 연구팀과 중국과학기술대학교 판젠웨이(潘建伟) 연구팀은 공동으로 장거리 더블 필드 양자 키 분배 가능성의 최초 실험 검증에 이어 300Km 실제 환경 광섬유에서 더블필드 양자 키 분배 실험에 성공한 후, 509Km 실제 환경 광섬유에서 더블 필드 양자 키 분배(TF-QKD)에 성공함으로써 양자 키 분배의 최장 전송 거리 신기록을 세웠다. 해당 성과는 “Physical Review Letters”에 온라인으로 게재되었다.
양자 키 분배(QKD)의 장거리 실제 응용에서 채널 소모는 가장 심각한 제한 요소이다. TF-QKD는 단일 광자 간섭을 효과적인 감지 이벤트로 이용하여 안전 코딩 속도를 채널 감쇠의 제곱근에 따라 선형으로 감소시키며 무중계 상황에서도 QKD 코딩 속도의 선형 한계를 쉽게 깰 수 있다. 그러나 TF-QKD의 구현 조건은 매우 까다로워 두 개의 원격 독립 레이저의 단일 광자급 간섭이 있어야 함과 아울러, 단일 광자 검출 결과를 통해 장거리 광섬유 링크의 상대적 위상 쾌속 드리프트의 정확한 추산을 구현해야 한다.
해당 연구는 이론적으로 왕샹빈 교수가 제안한 “전송-불전송” 더블 필드 양자 키 분배 프로토콜에 기반하여 위상 노이즈에 대한 시스템의 내성을 크게 향상시켰다. 실험적으로, 시간-주파수 전송 기법을 이용하여 두 개의 독립 원격 레이저의 파장을 동일하게 잠구고 추가 위상 기준광을 이용하여 광섬유의 상대적 위상 쾌속 드리프트를 추산함으로써 측정 장치와 관계없이 안전 속성을 확보했다. 최종, 실험실에서 QKD 안전 코딩 거리를 509Km로 확장하여 기존의 무중계 QKD에 의해 제한된 절대 이론적 코딩 속도 한계를 극복했다. 기타 더블 필드 QKD 실험과 비교할 경우, 해당 연구는 안전성에서 독보적인 장점을 보유한다. 다시 말해서 측정 장치와 무관할 뿐만 아니라 제한된 코드 길이 조건에서의 안전성도 충분히 고려했다. 시스템 중복 주파수를 베이징-상하이 통신간선과 같은 장거리 양자 통신 네트워크에서 사용되는 1GHz로 업그레이드할 경우, 300Km되는 곳에서 코딩 속도가 5kbps에 달할 수 있으며 이는 백본 광섬유 양자 통신 네트워크의 신뢰 가능성 릴레이의 수를 대량 감소하고 광섬유 양자 보안 통신 네트워크의 안정성을 크게 향상시킬 수 있다.

칭화대학교 마이크로전자연구소, 미래칩기술 고정밀첨단혁신센터 쳰허(钱鹤), 우화챵(吴华强) 연구팀은 공동으로 복수의 멤리스터 어레이 기반 스토리지 및 컴퓨팅 통합 시스템을 개발하여 합성곱 신경망을 처리할 경우의 에너지효율을 그래픽 프로세서 칩보다 2 자릿수 높임으로써 컴퓨팅 설비의 컴퓨팅 성능을 크게 향상시키고 전력소모를 기존 칩보다 100배 줄였다. 해당 성과는 “Nature”에 게재되었다.
무어의 법칙이 한계에 다다름에 따라 집적 회로 축소 기법을 통한 컴퓨팅 성능 업그레이드가 점점 어려워지고 있다. 컴퓨팅과 스토리지는 서로 다른 회로에서 완성되는데 이 과정에서 대량 데이터 전송을 위한 전력 소모와 추가 지연이 초래된다. 컴퓨팅 및 스토리지 통합을 통한 AI 컴퓨팅 성능의 향상은 관련 분야 연구의 핫이슈이다.
연구팀은 재료와 소자 구조를 최적화하여 성공적으로 고성능 멤리스터 어레이를 개발했다. 소자의 비이상적 특성으로 인한 시스템 식별 정확도 감소 문제를 해결하기 위해 연구팀은 새로운 하이브리드 훈련 알고리즘을 제안하였다. 해당 알고리즘은 소량의 이미지 샘플만으로 신경망을 훈련시킴과 아울러 마지막 층 네트워크의 일부 가중치를 미조정함으로써 MNIST 데이터베이스에서의 스토리지 및 컴퓨팅 통합 구조의 식별 정확도를 96.19%에 달하게 하였다. 이는 소프트웨어의 식별 정확도와 맞먹는다.
연구팀은 공간 병렬 메커니즘을 제안하여 동일한 합성곱 커널을 복수의 멤리스터 배열에 프로그래밍하였으며 각 멤리스터 배열이 서로 다른 합성곱 입력 모듈을 병렬 처리할 수 있도록 함으로써 병렬 수행도를 향상시켜 합성곱 컴퓨팅을 가속화시켰다. 이를 기반으로 풀 하드웨어 구성의 완전한 스토리지 및 컴퓨팅 통합 시스템을 구축하였다. 시스템에 복수의 멤리스터 어레이를 집적하고 해당 시스템에서 합성곱 신경망 알고리즘을 효율적으로 운영하여 이미지 식별 기능을 성공적으로 검증하고 스토리지 및 컴퓨팅 통합 아키텍처의 풀 하드웨어 구현 가능성을 입증했다.
멤리스터 기반 신형 메모리 및 컴퓨팅 통합 아키텍처는 컴퓨팅 성능의 병목 현상을 극복하고 인공 지능과 같은 복잡한 작업을 위한 컴퓨팅 하드웨어의 고성능 수요를 충족시킬 수 있다.

중국과학기술대학교 궈광찬(郭光燦) 연구팀은 폴란드 바르샤바대학교(University of Warsaw)/독일 울름대학교(University of Ulm) 이론물리학자와 공동으로 최초로 큐비트의 비결맞음 조작 조건에서의 전환문제를 이론적으로 완전히 해결함과 아울러 실험설계를 통해 이를 검증하였다. 해당 성과는 “npj Quantum information”에 게재되었다.
최근 엄밀한 양자결맞음성 정의의 제안은 양자결맞음성 자원이론의 발전을 촉진하고 있다. 양자중첩성(quantum superposition)을 정량화하는 양자결맞음성은 양자물리/양자정보학의 핵심으로서 다양한 양자임무(예를 들면, 양자컴퓨팅, 양자통신 등) 수행에 중요한 응용가치가 있다. 연구팀은 비결맞음 조작 조건에서의 큐비트 전환문제를 이론적으로 완전히 해결함과 아울러 해당 결과를 분산시스템(distributed system) 결맞음 전환 연구에 확장시킴으로써 이체(two-body) 순수상태(pure state)의 보조적 전환을 완전히 해결함과 아울러 혼합상태(mixed state)의 보조적 전환도 일부분 해결하였다.
연구팀은 상기 이론적 작업을 토대로 일련의 실험을 설계해 이를 검증하였다. 연구팀은 큐비트를 광자의 편광상태(polarization state)에 인코딩하여 최초로 완전 광학적 엄격한 비결맞음 조작장치를 설계하였다. 또한 단일큐비트/분산시스템에서 큐비트의 비결맞음 조작 조건에서의 전환을 고충실도로 구현하였다. 실험 결과, 광학기술을 이용해 양자상태의 비결맞음 조작 조건에서의 전환연구를 쉽게 수행할 수 있었다. 이는 구체적인 응용에서 기존의 광학기술로 결맞음성 전환을 구현하는데 기반을 마련하였다.

중국과학기술대학교 판젠웨이(潘建伟), 바오샤오후이(包小辉), 장챵(张强) 연구팀은 지난(济南)양자기술연구원 및 중국과학원 상하이마이크로시스템·정보기술연구소 연구팀과 공동으로 고광도 라이트와 원자 얽힘원, 저잡음 고효율 단일광자 주파수 변환 기술 및 원거리 단일광자 정밀 간섭 기술 연구를 통해 광섬유 거리가 50km인 두 개의 양자 메모리 얽힘에 성공함으로써 양자 리피터에 기반한 양자 네트워크 구축을 위한 기반을 마련했다. 해당 성과는 “Nature”에 게재되었다.
글로벌 양자 네트워크를 구축함과 아울러 이를 기반으로 양자 통신을 구현하는 것은 양자 정보 연구의 궁극적인 목표이다. 국제학술계에서 광범위하게 이용되고 있는 양자 통신 네트워크 개발 로드맵은 위성에 기반한 자유공간 채널을 통해 광역 대규모 전파를 달성하고 광섬유 네트워크를 통해 도시권 및 도시 간 지면 전파를 달성하는 것이다. 그러나, 광섬유에서의 광신호 지수 감쇠로 인해 최장거리 점대점 지면 안전 통신 거리는 수백 km에 불과하다. 원거리 점대점 전송을 분단 전송으로 변경하고, 양자 리피터 기술을 이용하여 캐스케이드를 진행하면 안전 통신 거리를 대폭 확장시킬 수 있을 뿐만 아니라 전체 양자 네트워크 구축을 가능하게 한다.
그러나, 빛과 원자의 얽힘 밝기가 낮고 원자 메모리 파장과 통신 광섬유의 비매칭 및 원거리 단일광자 간섭과 같은 기술적 어려움으로 기존의 최장거리 광섬유 양자 얽힘은 수 km 정도에 불과했다. 이러한 기술적 어려움을 해결하기 위해, 연구팀은 3개 분야의 기술을 중점적으로 공략했다. 1) 링 캐비티 증강 기술을 이용하여 단일광자와 원자시스템 간 결합을 개선하고 광경로 전송 효율을 최적화함으로써 기존의 빛과 원자 얽힘의 밝기를 1등급 업그레이드시켰다. 2) 원자 메모리가 대응하는 광파장이 광섬유에서의 소모가 약 3.5 dB/km에 달하기에 50km 광섬유에서 광신호가 10억분의 1(10-17.5)로 감쇠되어 양자 통신이 불가능한 문제점에 대해 연구팀은 자체적으로 주기적 분극 니오브산리튬 도파관을 개발하고 비선형 주파수 차이 과정을 통해 메모리의 광파장을 근적외선(795nm)에서 통신 대역(1342nm)으로 변환시켰으며 50km 광섬유를 통과한 후, 백분의 1 이상으로 감쇠되어 기존 효율보다 16배 향상시켰다. 3) 원거리 단일광자 간섭을 달성하기 위해 이중 위상 잠금 솔류션을 설계하여 성공적으로 50km 광섬유 전송 후 광경로 차이를 약 50nm로 제어하였다.
연구팀은 해당 기술을 결합하여 최종적으로 50km 광섬유 전송의 2극관 얽힘을 달성하고 22km 외부 광섬유의 2극관 얽힘을 구현했다. 현재 실험 단계에 처한 2개의 양자 메모리는 동일한 실험실에 위치하고 있다. 향후, 연구팀은 독립된 레이저의 위상 동기화 등 기술을 개발하여 진정한 원거리 2극관 실험을 달성할 예정이다. 해당 연구는 기존의 멀티노드 얽힘 기술(Nature Photonics, 13, 210, 2019), 리드베르크에 기반한 결정적 얽힘 기술(Phys. Rev. Lett. 123, 140504, 2019) 및 100밀리초 스토리지 기술(Nature Photonics. 10, 381, 2016)을 결부하여 양자 리피터와 전체 양자 네트워크의 실험 연구를 크게 촉진시킬 전망이다.