KAIST, 손상된 '양자얽힘' 되돌리는 기술 개발

"양자얽힘 직접적으로 검증 후 활용 가능"

손상된 양자얽힘을 되돌리는 기술 개발에 성공한 연구진. 왼쪽부터 KAIST 물리학과 라영식 교수, 김현진 석박통합과정, 정지혁 석박통합과정, 이경준 석박통합과정생. KAIST 제공

국내 연구진이 양자기술을 활용하는 데 걸림돌로 작용했던 ‘양자얽힘 검증과정에서의 손상된 양자얽힘’을 되돌리는 기술을 개발했다. 양자암호, 양자통신, 양자센싱과 같은 양자정보 기술 분야에서 양자얽힘을 직접적으로 검증한 후 활용하는 방법을 제시한 것으로 평가된다. 

KAIST는 라영식 물리학과 교수 연구팀이 약한 양자측정을 양자얽힘 검증에 도입해 양자얽힘의 직접적 검증을 진행하고 이 과정에서 손상된 양자얽힘을 되돌림 측정을 이용해 원래대로 되돌리는 기술 개발에 성공했다고 10일 밝혔다.

양자얽힘은 고전 물리로 설명될 수 없는 양자 물리의 고유한 특성으로 서로 멀리 떨어져 있는 두 입자 중 한쪽의 상태가 결정되는 순간 다른 쪽의 상태도 결정되는 독특한 현상을 뜻한다. 양자얽힘의 존재는 양자측정을 사용해 검증해야 하지만 이러한 측정 과정 자체가 양자얽힘을 파괴하는 문제가 있어 검증이 완료된 양자얽힘 상태를 차후 양자기술에 활용하는 데 어려움이 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 양자얽힘을 완전히 파괴시키지 않는 ‘약한 양자측정’을 도입하여 양자얽힘을 검증했다. 이 과정에서 손상된 양자얽힘을 ‘되돌림 측정’을 이용해 원상태로 되돌리는 기술을 개발했다.

‘약한 양자측정’이란 양자상태를 측정할 때 양자상태에 가해지는 변화를 줄이면서도 필요한 정보를 얻어낼 수 있는 양자측정 기술이다. 약한 양자측정을 양자얽힘 검증에 도입하면 양자얽힘을 완전히 파괴하지 않고도 양자얽힘이 존재하는지 확인할 수 있다.

약한 양자측정 이후 양자상태에 남아 있는 양자얽힘의 양은 원래의 양보다는 적다. 연구진은 ‘되돌림 측정’을 도입해 줄어든 양자얽힘을 원래대로 되돌릴 수 있음을 보였다. 약한 양자측정의 역과정에 해당하는 되돌림 측정은 손상된 양자상태를 일정 확률로 원래대로 되돌려 양자얽힘을 원상태로 복구할 수 있다.

이러한 복구 과정은 앞서 시행한 양자얽힘 검증과 상호 교환 관계가 있어 연구팀은 두 값을 적절히 조정할 시 양자얽힘의 존재를 검증함과 동시에 되돌려진 양자얽힘을 다시 활용할 수 있음을 보였다.
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연구를 이끈 라영식 교수는 "이번 연구를 활용하여 검증된 양자상태를 양자 암호 키 분배, 양자 원격 전송과 같은 다양한 양자 기술 분야에 적용할 수 있을 것ˮ이라고 연구의 의의를 설명했다. 이번 연구는 저명 국제 학술지 `사이언스 어드밴시스' 10월호에 게재됐다.

약한 양자측정을 이용한 양자검증 결과. 왼쪽부터 첫번째 그림에선 파란 면에 해당하는 부분이 양자검증에 성공한 경우에 해당한다.  두번째 그림에선 노란색과 푸른색 면에 해당하는 경우가, 세번째 그림에선 붉은색 면에 해당하는 영역이 양자검증에 성공한 경우다. KAIST 제공

[박정연 기자 hesse@donga.com]