김윤호 교수팀, 마르코프 결어긋남 현상 극복 새 방법 제시

 ‘미래는 현재의 한 시점에만 관계하고 있으며, 그보다 과거 상태에는 관계하지 않는다’는 ‘마르코프 과정(Markov process)’. 양자계의 여러 이론들을 우리 삶에 활용할 수 있기 위해서 넘어야 할 고비이기도 한데, 이러한 마르코프과정을 억제할 수 있는 방법이 POSTECH(포항공과대학교)물리학과 통합과정 이종찬․김윤호 교수팀을 통해 발표됐다.

 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)지 최신호를 통해 공개된 이 연구성과는 마르코프 과정에 의한 결어긋남*1현상을 사후에 효과적으로 억제하는 방법으로, 결어긋남이 일어나기 이전에 억제해야 한다는 기존의 성과에서 한 단계 더 나아간 것이다.

 양자통신, 양자컴퓨터 등의 양자정보기술 구현을 위해서는 양자계의 결맞음 특성이 보호돼야 한다. 하지만, 실제로는 양자계와 주변의 상호작용에 의해 결어긋남 현상이 일어나고, 이는 곧 양자정보기술 구현의 핵심요소인 양자 얽힘*2도 잃도록 해 양자정보기술 구현의 걸림돌로 알려져 있다.

 김 교수팀은 이미 2011년과 2012년의 연구를 통해 약한 측정*3과 되돌림 측정*4을 이용, 이 같은 결어긋남 현상을 억제할 수 있는 방법을 제시한 바 있다. 하지만, 이 방법은 결어긋남 현상이 일어나기 전에 미리 영향을 덜받도록 변화시킨 다음 결어긋남 현상이 일어나면 그제야 초기상태로 회복시키는 것이었다.

 연구팀은 양자측정을 결어긋남 현상이 일어난 이후로 지연시켜 결어긋남 현상으로부터 양자 얽힘을 효율적으로 보호하는 방법을 밝혀냈으며, 이는 마르코프 과정의 특성을 사후에 효과적으로 억제할 수 있는 방법이어서 더욱 눈길을 모았다.

 사후에 결어긋남을 억제할 수 있기 때문에 기존에 결어긋남에 대한 정보가 없는 경우에도 그 크기를 가늠하고 효과적으로 이를 억제할 수 있기 때문에 특히 양자 연산이나 양자 통신에 이용할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

 연구를 주도한 김윤호 교수는 “양자통신 및 양자컴퓨터와 같은 양자정보기술은 아직 초기단계에 불과하지만 현대 정보사회의 패러다임을 바꿀 수 있는 가능성을 가지고 있다”며 “이 연구를 통해 결어긋남 현상을 보다 효과적으로 억제할 수 있을 것으로 기대한다”고 의의를 밝혔다.

1. 결어긋남

결어긋남 현상이란 양자계가 결맞음을 잃어버리는 현상을 의미하며, 결어긋남 현상이 일어난 양자계는 양자정보처리에 사용할 수 없다.

2. 양자얽힘

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.

3. 약한 측정

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.

4. 되돌림 측정

되돌림 측정은 첫 약한 측정을 되돌리는 목적으로 시행되는 약한 측정의 일종이다. 약한 측정을 거친 양자 상태는 이 되돌림 측정을 통해 원래의 양자 상태로 되돌릴 수 있다.