손상된 양자 얽힘 되돌렸다···韓 연구진 양자 전송 가능성 높여

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구팀이 직접 개발한 양자 측정기술을 적용해 양자 고유의 특성인 ‘양자얽힘’ 특성을 되돌렸다. 이를 통해 양자 암호 키 분배나 양자 원격 전송 기술을 발전시킬 가능성을 제시했다.

한국과학기술원(KAIST)은 라영식 물리학과 교수 연구팀이 약한 양자측정을 통해 양자얽힘을 검증하고, 이 과정에서 양자얽힘을 원래대로 되돌리는 기술을 개발했다고 10일 밝혔다.

최근 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단이 국제 공동연구를 통해 전자스핀을 이용하는 새로운 양자 플랫폼을 통해 새로운 방식의 양자컴퓨터 개발 방식을 제시한 데 이어 KAIST 연구진이 손상된 양자 얽힘을 되돌리는 연구 성과를 내놓은 것이다.

‘양자얽힘’을 되돌리는 기술을 개발한 KAIST 연구팀.(왼쪽부터) 라영식 교수, 김현진 석박통합과정, 정지혁 석박통합과정, 이경준 석박통합과정.(사진=KAIST)

양자 암호 키 분배, 양자 원격 전송에 활용 기대

양자 정보 기술은 현시대 컴퓨터로는 풀기 어려운 문제를 해결하려는 기술이나 원천적으로 해킹을 할 수 없는 통신 기술 개발에 쓰인다. 양자정보 기술 대부분은 ‘양자얽힘’이라는 양자 고유의 상태를 이용해 구현된다.

양자얽힘을 생성한 후 실제로 양자기술에 활용하려면 양자상태에 양자얽힘이 충분히 존재하는지 실제로 검증하는 ‘양자검증’ 과정이 필요하다. 검증 과정은 다시 투영측정을 써서 하는데 이 방법을 쓰면 양자얽힘이 파괴돼 검증된 양자상태에서 더이상 양자얽힘이 남아 있지 않아 양자기술에 활용하기 어려웠다.

이에 연구팀은 양자상태를 측정할 때 양자상태에 가해지는 변화를 줄이면서도 필요한 정보를 얻어낼 수 있는 양자측정 기술인 ‘약한 양자측정’을 도입해 양자얽힘을 검증했다. 이 과정에서 손상된 양자얽힘을 ‘되돌림 측정’을 이용해 원상태로 되돌리는 기술을 개발했다.

약한 양자측정 이후 양자상태에 남아 있는 양자얽힘의 양은 원래 양보다 적다. 연구진은 ‘되돌림 측정’을 도입해 줄어든 양자얽힘을 원래대로 되돌릴 수 있다는 사실을 확인했다. 약한 양자측정의 역과정에 해당하는 되돌림 측정은 손상된 양자상태를 일정 확률로 원래대로 되돌려 양자얽힘을 원상태로 복구할 수 있다. 복구 과정은 앞서 시행한 양자얽힘 검증과 상호 교환 관계가 있어 두 값을 적절히 조정하면 양자얽힘 존재를 검증하면서 되돌린 양자얽힘을 다시 활용할 수 있는 것으로 나타났다.

라영식 교수는 “양자 얽힘을 사용하는 대표 양자 기술인 양자 암호 키 분배, 양자 원격 전송과 같은 분야에서 검증된 양자상태를 직접 양자 기술에 도입할 수 있다는 것에 의미가 있다”고 했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 10월 온라인판으로 정식 출판됐다.

약한 양자측정을 이용한 양자검증 결과 모식도.(자료=KAIST)