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'양자 얽힘'에 해당되는 글 1

  1. 2011.12.28 미래 양자컴퓨터 개발의 걸림돌 해결

□ 양자통신이나 양자컴퓨터 같은 양자정보기술은 아직 초기단계이지만, 현대 정보사회의 패러다임을 바꿀 수 있는 가능성이 큰 신기술입니다

양자통신은 정보를 빛의 기본입자인 광자의 양자 상태에 실어 전달하는 새로운 방식의 통신으로 양자역학적 특성상 빠른 속도, 정확한 정보전달 등 기존의 통신에 비해 많은 장점이 있습니다.

이에 기반한 양자컴퓨터는 기존의 컴퓨터와 달리 한 개의 처리장치로부터 수많은 계산을 동시에 처리할 수 있어 정보처리량과 속도가 종전의 컴퓨터에 비해 월등히 앞선 미래형 최첨단 컴퓨터입니다.

양자통신, 양자컴퓨터 등의 양자정보기술을 구현하기 위해서는 양자계의 결맞음 특성이 보호되어야 하지만, 실제 상황에서는 양자계와 주변 환경과의 필연적인 상호작용에 의해 결어긋남 현상이 발생하여 결맞음 특성이 손상됩니다.

결어긋남 현상(Decoherence)은 양자계가 결맞음을 잃어버리는 현상으로, 결맞음이 완전히 없어진 양자계는 양자정보처리에 사용할 수 없게 됩니다.

이 결어긋남 현상은 양자정보기술 구현에 핵심요소인 양자 얽힘까지 잃게 만들어 양자정보기술 구현에 가장 큰 걸림돌이되고 있습니다.

□ 포스텍 김윤호 교수팀이 미래형 최첨단 컴퓨터인 양자컴퓨터와 양자통신 등과 같은 양자정보기술 구현에 가장 큰 걸림돌을 해결했습니다.

연구팀은 양자역학의 핵심원리인 일반화된 양자 측정의 개념들을 이용해 양자정보기술 구현에 꼭 필요한 양자 얽힘을 결어긋남 현상으로부터 보호하는 새로운 방법을 밝혀냈습니다.

양자 얽힘(Quantum entanglement)은 여러 양자계 사이에 존재하는 특별한 상관관계를 의미하는데, 양자통신, 양자컴퓨터 등을 구현하는데 꼭 필요합니다.

김 교수팀은 약한 양자측정과 양자측정의 되돌림을 이용해 양자 얽힘이 줄어드는 직접적인 원인인 결어긋남 현상 자체를 억제하는데 성공했습니다.

특히 이번 연구결과는 결어긋남 현상이 아주 강해 양자 얽힘이 완전히 없어지게 만드는 환경에서도 적용할 수 있기 때문에 기존의 양자 얽힘 보호방법의 한계를 뛰어넘은 기술로 평가받고 있습니다.

(왼쪽 그림) 결어긋남 현상은 Bob과 Charlie가 나눠 가진 양자계의 양자 얽힘을 손상한다. (오른쪽 그림) 약한 양자 측정과 양자 측정 되돌림을 이용하여 양자 얽힘을 보호하는 프로토콜.


(왼쪽 그림) 양자 얽힘 보호 프로토콜이 없을 때에는 양자 얽힘이 결어긋남 현상에 의해 현격히 줄어들지만 (오른쪽 그림) 양자 얽힘 보호 프로토콜을 이용하여 양자 얽힘을 결어긋남 현상으로부터 보호할 수 있다.


김윤호 교수가 주도한 이번 연구에는 김용수, 이종찬(공동1저자), 권오성(제3저자) 박사과정생이 참여했습니다.

이번 연구결과는 물리학 분야 최고 권위의 학술지인 'Nature Physics (IF=18.423)'지에 온라인 속보(12월 18일)로 게재되었습니다.
(논문명 : Protecting entanglement from decoherence using weak measurement and quantum measurement reversal)

김윤호 교수(오른쪽 뒤편)가 김용수(왼쪽 앞), 권오성(왼쪽 뒤), 이종찬(오른쪽) 박사과정생과 함께 실험을 진행하고 있다.

 용  어  설  명

양자 얽힘 (Quantum entanglement) :
양자 얽힘이란 여러 양자계 사이에 존재하는 비고전적인 상관관계이며, 양자 통신, 양자 컴퓨터 등의 구현에 반드시 필요하다.
하지만 양자계가 주변환경과 필연적으로 상호작용을 하기 때문에 양자 얽힘을 유지하는 것은 양자 정보 기술의 구현을 위한 어려운 과제이다.
우리 연구에서는 양자 얽힘을 결어긋남 현상으로부터 보호하는 방법을 제안하고 실험적으로 검증하여 양자 얽힘의 유지를 위한 중요한 방향을 제시했다.

결어긋남 현상(Decoherence) :
결어긋남 현상이란 양자계가 결맞음을 잃어버리는 현상을 의미하며, 결어긋남 현상이 일어난 양자계는 양자정보처리에 사용할 수 없다.
본 연구에서는 약한 양자 측정과 양자 측정의 되돌림을 이용해 효과적으로 결어긋남 현상을 억제하였다.

약한 양자 측정(Weak quantum measurment) :
흔히 알려진 양자 측정인 투영 측정(projection measurement) 또는 von Neumann 측정은 양자 상태를 측정 연산자의 하나의 고유 상태(eigenstate)로 투영(project)시키는데 반해 약한 양자 측정은 이보다 더 일반적인 측정을 의미한다.
측정 이전의 양자 상태를 회복하는 것이 불가능한 투영 측정(projection measurement)과는 달리 약한 양자 측정과정을 거친 양자 상태는 원래의 양자 상태로 되돌리는 것이 가능하다.  

 <연 구 개 요>

Protecting entanglement from decoherence using weak measurement and quantum measurement reversal (약한 측정과 양자 측정의 되돌림을 이용해 양자 얽힘을 결어긋남으로부터 보호하기)
 
양자 통신, 양자 컴퓨터 등의 양자 정보 기술의 구현을 위해서는 양자계의 결맞음 특성이 보존되어야 한다.
하지만 실제 상황에서는 양자계와 주변 환경과의 필연적인 상호작용에 의해 결어긋남 현상(decoherence)이 발생하여 결맞음 특성이 손상된다.
특히 결어긋남 현상은 양자 정보 기술의 구현에 핵심 요소인 양자 얽힘(quantum entanglement)을 손상하게 된다.
따라서 양자 정보 기술을 실제로 구현하기 위해서는 양자 얽힘을 결어긋남 현상으로부터 보호하는 방법의 개발이 필수적이다.  
본 연구에서는 양자 얽힘을 결어긋남 현상으로부터 보호하는 새로운 방법을 밝혀내었다.
이번 연구에서는 양자 역학의 핵심 원리인 일반화된 양자 측정의 개념들인 약한 양자 측정(weak quantum measurement)과 양자측정의 되돌림(quantum measurement reversal)을 이용해 결어긋남 현상을 효과적으로 억제함으로써 양자 얽힘을 결어긋남 현상으로부터 보호하는 새로운 방법을 밝혀내고 실험적으로 검증하였다.
특히 이번 연구를 통해 새로 밝혀낸 방법을 이용하면 결어긋남 현상이 아주 강해서 양자 얽힘이 완전히 사라지는 경우에도 양자 얽힘을 보존할 수 있기 때문에 기존 양자 얽힘 보존 방법의 한계를 뛰어 넘은 것으로 평가받고 있다.
또한 양자 얽힘의 손상을 가져오는 직접적인 원인이며 실험에서 필연적으로 존재하는 결어긋남 현상 자체를 억제했다는 점에서 다양한 응용 가능성이 있을 것으로 예상된다.
이번 연구의 특징은 흔히 양자 얽힘을 손상시키는 것으로 알려진 양자 측정의 개념을 확장하여 오히려 결어긋남 현상으로부터 양자 얽힘을 효율적으로 보호하는데 이용하였다는 점이다.
이 연구 성과는 광자, 원자, 초전도체 등의 다양한 양자계에 적용이 가능하므로 양자 통신 및 양자 컴퓨터 개발에 높은 응용 가능성을 가지고 있다.


<김윤호 교수> 

1. 인적사항
 ○ 성 명 : 김윤호(金允鎬, 39세)
 ○ 소 속 : 포항공과대학교 물리학과

2. 학력
  1991 - 1995    영남대학교 이학사
  1996 - 2001    Ph.D in Applied Physics
       University of Maryland, Baltimore County
 
3. 경력사항
  2001 - 2002 Post-doctoral Researcher, Oak Ridge National Laboratory
  2002 - 2004 Eugene P. Wigner Fellow, Oak Ridge National Laboratory
  2004 - 현재 포항공과대학교 물리학과 조교수, 부교수

posted by 글쓴이 과학이야기

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