“양자 컴퓨터 발전에 핵심” 국내 연구진이 개발

클릭하시면 더 큰이미지를 보실 수 있습니다 3차원 클러스터 양자얽힘 상태를 생성한 결과(왼쪽), 클러스터 상태를 검증하기 위한 측정(가운데)과 이를 통해 확인한 3차원 클러스터 상태의 양자얽힘 특성(오른쪽)을 표현한 그림. 카이스트 제공

양자 컴퓨터 오류 정정 필수 기술
국내 연구진이 실험으로 구현해


양자를 이용해 복잡한 연산을 고속으로 이용하는 양자 컴퓨팅 기술이 미래 첨단 기술로 주목받고 있는 가운데, 국내 연구진이 양자 컴퓨터의 오류를 정정하는 데 필요한 기술을 구현했다.

카이스트는 라영식 물리학과 교수 연구팀이 3차원 클러스터 양자얽힘 상태를 실험으로 구현하는 데 성공했다고 25일 밝혔다.

양자 컴퓨팅은 고전 컴퓨터로는 계산하기 어려운 문제를 효율적으로 연산할 수 있으나, 연산 과정에서 발생하는 양자 오류를 정정하는 게 필수적이다. 측정기반 양자 컴퓨팅은 특수한 양자얽힘 구조를 가진 클러스터 상태를 측정해 양자 연산을 구현하는 새로운 패러다임의 양자 컴퓨팅 방식으로, 클러스터 양자얽힘 상태를 제작하는 게 핵심이다.

이런 방식의 양자 컴퓨팅을 범용적으로 사용하기 위해선 2차원 구조의 클러스터 상태가 사용돼왔다. 그러나 ‘결함 허용 양자 컴퓨팅’으로 발전해 양자 연산에서 발생하는 양자 오류를 정정하기 위해서는 더 복잡한 3차원 구조의 클러스터 상태가 필요하다. 이는 매우 복잡한 구조라 그동안 실험 구현이 이뤄지지 못했다.

클릭하시면 더 큰이미지를 보실 수 있습니다 실험 과정을 표현한 그림. 800㎚ 파장의 펄스 레이저가 이차 조화파 생성을 통해 400㎚ 파장으로 바뀐 뒤 비선형결정을 거쳐 양자얽힘 광원을 생성하는 과정과(왼쪽), 광학모드 기저 변경을 통해 3차원 클러스터 상태를 생성한 모습(오른쪽)을 표현했다. 카이스트 제공

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

펨토초 레이저는 극도로 짧은 시간에 강한 빛 펄스를 방출하는 장치다. 연구팀은 비선형 결정에 펨토초 레이저를 쬐어 여러 주파수 모드에서 양자 광원을 동시에 생성하고, 이를 활용해 3차원 구조의 클러스터 양자얽힘을 생성했다.

라 교수는 "이번 연구는 기존 기술로는 구현하기 어려웠던 3차원 클러스터 양자얽힘 상태 제작에 성공한 최초 사례"라며 "향후 측정기반 양자 컴퓨팅 및 결함 허용 양자 컴퓨팅 연구에 있어 중요한 발판이 될 것"이라고 말했다.

클릭하시면 더 큰이미지를 보실 수 있습니다 왼쪽부터 카이스트 물리학과 윤영도, 노찬 석박통합과정, 라영식 교수, 곽근희 석박통합과정. 카이스트 제공

한국연구재단과 정보통신기획평가원 및 미국 공군연구소의 지원을 받아 진행된 이번 연구에는 물리학과 노찬, 곽근희, 윤영도 석박사통합과정 학생이 공동 저자로 참여했다. 연구 결과는 국제 학술지 네이처 포토닉스에 24일 온라인판으로 게재됐다.

구혁 기자