KAIST 연구팀, 3차원 클러스터 양자얽힘 상태 구현

한국과학기술원(KAIST) 라영식 교수 연구팀. 왼쪽부터 물리학과 윤영도 석박통합과정, 노찬 석박통합과정, 라영식 교수, 곽근희 석박통합과정./KAIST

한국과학기술원(KAIST) 라영식 물리학과 교수 연구팀이 양자 오류정정 기술의 핵심이 되는 3차원 클러스터 양자얽힘 상태를 구현하는 데 성공했다. 양자컴퓨팅 상용화를 위한 난관 중 하나를 돌파한 셈이다.

측정기반 양자컴퓨팅은 특수한 양자얽힘 구조를 가진 클러스터 상태를 측정해 양자 연산을 구현하는 양자컴퓨팅이다. 양자 얽힘은 두 입자가 서로 보이지 않는 연결을 가지는 상태를 의미한다. 얽힘 상태가 있으면 한 입자의 상태를 측정했을 때 다른 입자도 같은 상태를 가진다. 이 양자얽힘 구조를 이용해 통신을 하거나 연산을 할 수 있다.

측정기반 양자컴퓨팅은 클러스터 양자얽힘 상태를 만드는 게 핵심인데, 그동안은 2차원 구조의 클러스터 상태를 사용했다. 하지만 상용화 수준에 가기 위해서는 훨씬 복잡한 3차원 구조의 클러스터 상태를 구현해야 한다. 기존 연구에서는 2차원 클러스터 상태를 만드는 게 한계였다.

KAIST 연구팀은 펨토초 시간-주파수 모드를 제어해 양자얽힘을 구현하는 기술을 개발했다. 이를 이용해 세계 최초로 3차원 구조의 클러스터 양자얽힘 상태도 생성하는 데 성공했다.

펨토초 레이저는 극도로 짧은 시간 동안 강한 빛 펄스를 방출하는 장치다. 연구팀은 비선형 결정에 펨토초 레이저를 입사시켜 여러 주파수 모드에서 양자 광원을 동시에 생성했고, 이를 활용해 3차원 구조의 클러스터 양자얽힘을 만들었다.

라영식 교수는 “이번 연구는 기존 기술로는 구현하기 어려웠던 3차원 클러스터 양자얽힘 상태 제작에 성공한 최초의 사례”라며 “향후 측정 기반 양자컴퓨팅 및 결함 허용 양자컴퓨팅 연구에 있어 중요한 발판이 될 것”이라고 말했다.

참고 자료

Nature Photonics(2025), DOI : https://doi.org/10.1038/s41566-025-01631-2

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