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양자 컴퓨터 오류정정에 필요한 양자얽힘 구현​
조회수 : 778 등록일 : 2025-02-25 작성자 : 홍보실

사진 1.(왼쪽부터) 물리학과 윤영도 석박통합과정, 노찬 석박통합과정, 라영식 교수, 곽근희 석박통합과정

< 사진 1.(왼쪽부터) 물리학과 윤영도 석박통합과정, 노찬 석박통합과정, 라영식 교수, 곽근희 석박통합과정 >

양자 컴퓨팅은 고전 컴퓨터로는 계산하기 어려운 문제를 효율적으로 해결할 수 있는 양자 기술이다. 양자 컴퓨터가 복잡한 연산을 정확히 수행하려면 연산 과정에서 발생하는 양자 오류를 정정하는 것이 필수적이다. 하지만 이에 필요한 양자얽힘 상태를 구현하는 것은 매우 큰 난관으로 여겨져 왔다. 

우리 대학 물리학과 라영식 교수 연구팀이 양자오류 정정 기술의 핵심이 되는 3차원 클러스터 양자얽힘 상태를 실험으로 구현하는데 성공했다고 25일 밝혔다. 

측정기반 양자 컴퓨팅은 특수한 양자얽힘 구조를 가진 클러스터 상태를 측정하여 양자 연산을 구현하는 새로운 패러다임의 양자 컴퓨팅 방식이다. 이러한 방식의 핵심은 클러스터 양자얽힘 상태의 제작에 있으며, 범용 양자컴퓨팅을 위해 2차원 구조의 클러스터 상태가 사용된다. 

하지만 양자연산에서 발생하는 양자오류를 정정할 수 있는 결함 허용 양자컴퓨팅(Fault-Tolerant Quantum Computing)으로 발전하려면 더욱 복잡한 3차원 구조의 클러스터 상태가 필요하다.

기존 연구에서는 2차원 클러스터 상태 제작이 보고됐지만, 결함 허용 양자컴퓨팅에 필요한 3차원 클러스터 상태는 양자얽힘의 구조가 매우 복잡해 그동안 실험 구현이 이뤄지지 못했다.

그림 1. (a) 실험 개략도. 800 nm 파장을 갖는 펄스 레이저가 이차 조화파 생성을 통해 400 nm 파장의 펄스 레이저로 변환되고, 이것이 비선형 결정 (PPKTP)에 입사해 다수의 양자얽힘 광원을 생성함. (b) 광학모드 기저 변경을 통한 3차원 클러스터 상태 생성

< 그림 1. (a) 실험 개략도. 800 nm 파장을 갖는 펄스 레이저가 이차 조화파 생성을 통해 400 nm 파장의 펄스 레이저로 변환되고, 이것이 비선형 결정 (PPKTP)에 입사해 다수의 양자얽힘 광원을 생성함. (b) 광학모드 기저 변경을 통한 3차원 클러스터 상태 생성 >

연구팀은 펨토초 시간-주파수 모드를 제어하여 양자얽힘을 구현하는 기술을 개발함으로써 3차원 구조의 클러스터 양자얽힘 상태를 생성하는 데 최초로 성공했다. 

펨토초 레이저는 극도로 짧은 시간 동안 강한 빛 펄스를 방출하는 장치로, 연구팀은 비선형 결정에 펨토초 레이저를 입사시켜 여러 주파수 모드에서 양자 광원을 동시에 생성하고, 이를 활용하여 3차원 구조의 클러스터 양자얽힘을 생성했다. 

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.

그림 2. 3차원 클러스터 상태 생성 결과. (a) 클러스터 상태의 nullifier 측정. (b) 양자 상태 토모그래피로 재구성한 3차원 클러스터 상태. (c) 3차원 클러스터 상태의 양자얽힘 특성 확인

< 그림 2. 3차원 클러스터 상태 생성 결과. (a) 클러스터 상태의 nullifier 측정. (b) 양자 상태 토모그래피로 재구성한 3차원 클러스터 상태. (c) 3차원 클러스터 상태의 양자얽힘 특성 확인 >

물리학과 노찬 석박사통합과정 학생이 제1 저자로 참여하고 곽근희, 윤영도 석박사통합과정 학생이 공동 저자로 참여한 이번 연구는 저명 국제 학술지 `네이처 포토닉스(Nature Photonics)'에 2025년 2월 24일 온라인판으로 정식 출판됐다. (논문명: Generation of three-dimensional cluster entangled state, DOI: 10.1038/s41566-025-01631-2) 

한편 이번 연구는 한국연구재단 (양자컴퓨팅 기술개발사업, 중견연구자 지원사업, 소재혁신 양자시뮬레이터 개발사업)과 정보통신기획평가원 (양자인터넷 핵심원천기술 사업, 대학ICT연구센터지원사업) 및 미국 공군연구소의 지원을 받아 수행됐다.

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