하이젠베르크 불확정성 원리 우회 성과…양자컴퓨터 오류 정정 향상 기대

호주 연구진, 불확실성 재배치 방식으로 위치·운동량 동시 정밀 측정

양자컴퓨터 구현의 주요 장벽 중 하나로 꼽히는 하이젠베르크의 불확정성 원리를 완화할 수 있는 새로운 접근법이 제시됐다.

25일 시드니 대학을 비롯한 연구진은 '단일 모드에서 양자 강화 다중 매개변수 감지(Quantum-enhanced multiparameter sensing in a single mode)'라는 논문을 사이언스 어드밴스에 발표했다.

이번 논문은 입자의 위치(x)와 운동량(p)에 대한 정보를 기존보다 더 민감하게 파악할 수 있는 방법과 이를 실험으로 검증한 결과를 담고 있다.

단일 이온 트랩에서 그리드 상태를 이용해 위치(x)와 운동량(p)의 작은 변위를 동시에 정밀하게 측정하는 실험 구성도 (이미지=시드니 대학교 연구진)

하이젠베르크의 불확정성 원리에 따르면 양자컴퓨터에 활용되는 입자는 워낙 작고 민감해 위치와 운동량을 동시에 정밀하게 측정할 수 없다. 더구나 측정을 위해 빛이나 특정 신호를 쏘는 과정에서도 상태가 변해 결과에 영향을 미친다.

이 때문에 양자컴퓨터에서는 노이즈의 성격을 충분히 파악하기 어렵고, 그 결과 오류 정정이 쉽지 않아 오류율을 낮추는 데 한계가 있었다.

연구진은 불확정성을 근본적으로 없애는 것이 아니라, 그 분포를 조정해 필요한 정보에서 정밀도를 높이는 방식을 고안했다고 밝혔다.

연구진은 먼저 전자기장에 단일 이온을 가뒀다. 이는 아이온큐(IonQ) 등에서 양자컴퓨터를 구현할 때 사용하는 ‘이온트랩(ion trap)’ 기법과 같은 원리다. 이어 고정된 이온의 미세한 진동을 레이저와 전자기장으로 제어해 ‘그리드 상태(Grid state)’라는 특수한 양자 상태를 구현했다.

그리드 상태는 위상 공간에 바둑판 무늬처럼 규칙적인 패턴을 형성하는 것이 특징이다. 연구진은 이 패턴을 활용해 이온의 위치와 운동량 변화를 일종의 눈금자처럼 읽어냈다. 연속적인 값을 그대로 측정하는 대신, 구간별로 얼마나 움직였는지를 확인해 정밀도를 높였다는 설명이다.

이를 통해 불필요한 영역에 불확실성을 몰아넣고, 필요한 부분에는 정밀도를 집중시켜 기존보다 높은 감도를 확보했다고 밝혔다. 실제 측정 결과, 동시 표준양자한계(SQL) 대비 최대 5.1 dB의 이득을 얻었으며 결합 분산에서도 SQL보다 약 2.6±1.1 dB 낮은 값을 달성했다.

연구진은 위치·운동량의 절대값을 완벽히 알 수는 없지만, 작은 변화에 대한 정밀도를 극대화하면 GPS가 닿지 않는 환경의 내비게이션, 의료 영상, 재료 과학, 중력 탐지 등에서 성능 향상을 기대할 수 있다고 전망했다. 이는 양자센싱과 양자컴퓨팅 분야 전반에 파급 효과를 미칠 수 있다는 분석이다.

다만 아직은 실험실 수준의 초기 결과로, 실제 양자컴퓨터 구현에 적용하기 위해서는 더 많은 연구와 추가 실험이 필요하다고 연구진은 설명했다.

크리스토프 H. 발라후 등 연구진은 "정밀한 측정은 과학과 기술 발전의 근간"이라며 "이번 연구는 기존 시스템에서 불가능했던 측정 기능을 제시한 것으로, 양자 계측학의 중요한 진전을 이룰 것으로 기대한다"고 전했다.