포스텍, 물리학계 난제 '양자 얽힘 결어긋남' 극복 방법 찾아냈다

'양자 얽힘' '포스텍 양자 얽힘 실험 성공'

포스텍 연구팀이 물리학계의 오랜 난제로 남아있던 '양자얽힘'을 결어긋남 현상으로부터 보호하는 기술을 구현하는데 성공했다.


22일 포스텍에 따르면 물리학과 김윤호 교수팀이 큐비트 변환을 이용해 결어긋남 현상으로부터 양자얽힘을 손실 없이 분배하는 방법을 실험을 통해 구현하고 관련 연구 성과를 네이처 자매지인 사이언티픽리포트를 통해 발표했다.

양자역학에서 '양자얽힘(quantum entanglement)' 또는 '간단히 얽힘'은 두 부분계 사이에 존재할 수 있는 일련의 비고전적인 상관관계이다. 얽힘은 두 부분계가 공간적으로 서로 멀리 떨어져 있어도 존재할 수 있다.

고전 물리학 법칙을 깨뜨리는 것으로 보이는 '양자얽힘'에 대해 학계는 치열한 논쟁을 계속해왔다. 양자얽힘은 원자를 구성하는 한 쌍의 소립자들이 시간과 공간을 초월하는 존재처럼 보이는 양자적 현상에 관한 것이다.

짝을 이룬 두 입자들은 아무리 서로 떨어져 있다 하더라도 어느 한쪽이 변동하면 그에 따라 즉각 다른 한쪽이 반응을 보인다는 불가사이한 특성을 가지는데 양자이론에서는 이 두 입자가 서로 '얽혀 있다'고 하며, 이를 일컬어 '양자얽힘'이라고 한다.

이러한 양자 얽힘 이론이 등장한 이후 양자암호, 양자컴퓨터, 양자전송 실험 등이 꾸준히 진행되었고 이를 통해 양자얽힘이론의 예측을 실증할 수 있었다.

양자얽힘은 국소성을 위반하지만 빛보다 빨리 정보를 전달할 수 없기 때문에 상대성이론을 위배하지 않는다. 다만 양자얽힘을 통해 고전적인 정보와 함께 양자역학적인 정보를 보내는 원리를 양자전송이라고 했으나 정보를 빛보다 빨리 전달할 수는 없다는 게 기존 학계의 논리였다.

이러한 점에서 포스텍 연구팀의 성과는 양자얽힘 감소 및 사라짐을 막을 뿐만 아니라 효율적으로 분배까지 가능한 방법을 세계 최초로 찾아낸 것이라 기존 양자얽힘 보호 방법의 한계를 뛰어넘은 기술로 평가된다.

이번 실험에서는 쌍을 이룬 전자들을 이용했는데 이들 전자 쌍들은 모두 측정하는데 있어 서로 소통할 수 있는 어떤 허점도 완벽히 봉쇄되었다. 또 두 탐지기 사이의 1.3㎞라는 거리는 한 전자를 측정하여 상태를 확정하는 사이에 빛이라도 주파할 수 없는 먼 거리로써 국지적인 허점을 제거한 것이다.

양자얽힘을 보호하는 기존 방법들은 양자 상태에 대한 초기 정보를 알고 있어야 하거나 결어긋남 현상이 특정한 대칭성을 가져야 하고 때로는 보조 큐비트를 요구하는 등 조건이 까다롭다. 그러나 연구팀이 제안한 이 방법은 초기 상태와 무관하게 적용 가능하며, 추가 큐비트나 양자 상태에 대한 대칭성도 필요 없을 뿐만 아니라 거의 완벽에 가까운 성공 확률을 나타냈다.

연구팀은 초기 큐비트 상태를 결어긋남 현상을 겪지 않는 다른 큐비트 상태로 변환하면 결어긋남 현상을 효과적으로 우회할 수 있다는 사실에 주목해 결어긋남 현상에 직접 대항하지 않고 결어긋남 현상이 특정한 큐비트에만 작용한다는 점을 이용했다.

큐비트의 정보를 결어긋남을 겪지 않는 다른 큐비트에 인코딩했다가 결어긋남을 피한 후에 다시 원래의 큐비트로 인코딩을 변환함으로서 손실 없이 양자얽힘을 분배할 수 있음을 실험을 통해 입증한 의미 있는 연구다.

김 교수는 "이 기술을 이용하면 원거리 양자 통신을 실제 구현할 때 양자얽힘을 분배하는 방안으로 사용될 수 있을 것"이라며 "양자정보기술 개발의 걸림돌로 알려진 결어긋남 현상으로부터 양자얽힘을 보호하고 손실 없이 효과적으로 분배하는 새로운 방법을 발견해 양자정보기술 발전에 새로운 기반을 마련했다"고 설명했다.

사진은 기사 내용과 무관. /자료사진=이미지투데이