측정 즉시 붕괴되는 양자얽힘, 되돌릴 방법 찾았다

KAIST "양자얽힘 직접 검증 후 활용하는 방법 제시"

양자 컴퓨터나 양자 통신은 양자얽힘 현상을 기반으로 한다. 상호작용하는 두 양자 중 하나의 상태가 결정되면, 그 순간 다른 양자의 상태도 이에 따라 결정되는 독특한 현상이다.

양자얽힘은 측정하는 순간 붕괴하기 때문에 양자얽힘을 검증해 활용하는데 어려움이 있다. 국내 연구진이 손상된 양자얽힘을 되돌리는 기술을 개발했다. 

KAIST(총장 이광형)는 물리학과 라영수 교수 연구팀이 약한 양자측정을 양자얽힘 검증에 도입해 양자얽힘의 직접적 검증을 진행하고, 이 과정에서 손상된 양자얽힘을 되돌림 측정을 이용해 원래대로 되돌리는데 성공했다고 10일 밝혔다.

약한 양자측정을 이용한 양자검증 결과. Witness의 경우 파란 면에 해당하는 부분이 양자검증에 성공한 경우에 해당하며, Quantum Steeing의 경우는 노란색과 푸른색 면에 해당하는 경우가, 마지막으로 Bell nonlocality는 붉은색 면에 해당하는 영역이 양자검증에 성공한 경우이다. (자료=KAIST)

'약한 양자측정'이란 양자 상태를 측정할 때 양자 상태에 가해지는 변화를 줄이면서도 필요한 정보를 얻어낼 수 있는 양자 측정 기술이다. 약한 양자 측정을 양자얽힘 검증에 도입하면 양자얽힘을 완전히 파괴하지 않고도 양자얽힘이 존재하는지 확인할 수 있다.

약한 양자측정 이후 양자 상태에 남아 있는 양자얽힘의 양은 원래의 양보다는 적다. 연구진은 '되돌림 측정'을 도입해 줄어든 양자얽힘을 원래대로 되돌릴 수 있음을 보였다. 되돌림 측정은 손상된 양자 상태를 일정 확률로 원래대로 되돌려 양자얽힘을 원상태로 복구할 수 있다. 약한 양자측정의 역과정인 셈이다.

이러한 복구 과정은 앞서 시행한 양자얽힘 검증과 상호 교환 관계가 있다. 연구팀은 두 값을 적절히 조정해 양자얽힘의 존재를 검증함과 동시에 되돌려진 양자얽힘을 다시 활용할 수 있음을 보였다.

라영식 교수는 "이번 연구를 활용해 검증된 양자 상태를 양자 암호 키 분배, 양자 원격 전송과 같은 다양한 양자 기술 분야에 적용할 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 정보통신기획평가원(양자인터넷 핵심원천기술 사업, 대학ICT연구센터지원사업)과 한국연구재단(양자컴퓨팅 기술개발사업, 중견연구자지원사업)의 지원을 받아 수행됐으며, 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 최근 출판됐다. 논문명은 Recovering quantum entanglement after its certification 이다.