KAIST, 세계 최초 3차원 클러스터 양자얽힘 구현

국내 연구진이 세계 최초로 3차원 클러스터 양자얽힘 상태를 실험으로 구현했다. 향후 양자컴퓨팅과 오류정정 연구에 토대를 제공할 것으로 기대된다.

이 연구는 KAIST 물리학과 라영식 교수 연구팀이 진행했다. 연구결과는 국제 학술지 `네이처 포토닉스'(2월24일자 온라인판)에 게재됐다.

참여 연구진은 3명이다. 제1저자에 물리학과 노찬 연구원(석박사통합과정), 공동 저자에 곽근희, 윤영도 연구원(석박사통합과정)이 이름을 올렸다.

KAIST가 세계 최초로 3차원 클러스터 양자얽힘 상태를 실험적으로 구현했다. 왼쪽부터 KAIST 물리학과 윤영도·노찬 연구원(이상 석박통합과정), 라영식 교수, 곽근희 연구원(석박통합과정).

연구진은 측정을 기반으로 하는 양자 컴퓨팅을 구현할 기반을 마련했다.

측정기반 양자 컴퓨팅은 특수한 양자얽힘 구조를 가진 클러스터 상태를 측정해 양자 연산을 구현하는 새로운 패러다임이다.

이 방식은 클러스터 양자얽힘 상태를 구현하는 것이 핵심이다. 범용 양자컴퓨팅을 위해 2차원 구조의 클러스터 상태가 사용된다.

하지만 양자연산에서 발생하는 양자오류를 정정할 수 있는 결함 허용 양자컴퓨팅으로 발전하려면 3차원 구조의 클러스터 상태가 반드시 필요하다.

현재 2차원 클러스터 양자 상태 연구결과는 나와 있다. 그러나, 결함을 허용하는 양자컴퓨팅에 필요한 3차원 클러스터 상태는 연구가 이루어지지 못했다. 양자얽힘 구조가 매우 복잡하기 때문이다.

연구진은 이를 구현하기 위해 펨토초 시간-주파수 모드를 제어하는 방법을 활용했다. 펨토초 레이저는 1천조 분의 1초 동안 강한 빛 펄스를 방출하는 장치다.

연구팀은 비선형 결정에 펨토초 레이저를 입사시켜 여러 주파수 모드에서 양자 광원을 동시에 생성하고, 이를 활용해 3차원 구조의 클러스터 양자얽힘을 생성하는데 성공했다.

왼쪽그림은 실험 개략도. 800nm 파장을 갖는 펄스 레이저가 이차 조화파 생성을 통해 400nm 파장의 펄스 레이저로 변환되고, 이것이 비선형 결정 (PPKTP)에 입사해 다수의 양자얽힘 광원을 생성한다. 오른쪽 그림은) 광학모드 기저 변경을 통한 3차원 클러스터 상태 생성 그림이다.(그래픽=KAIST)

3차원 클러스터 상태 생성 결과그림. 그림 ,a)는 클러스터 상태의 널리피어(nullifier) 측정, (b)는 양자 상태 토모그래피로 재구성한 3차원 클러스터 상태. (c)는 3차원 클러스터 상태의 양자얽힘 특성 확인 그패프.(그래픽=KAIST)

라영식 교수는 "기존 기술로는 구현하기 어려웠던 3차원 클러스터 양자얽힘 상태를 실험실서 구현한 세계 최초의 연구 사례”라고 말했다.