연구성과

물리 김윤호 교수팀, ‘작고 연약한’ 양자, 정확하게 측정할 수 있다

2022-02-24 365

[김윤호 교수팀, 양자얽힘 없이 하이젠베르크 한계 도달하는 약한 값 증폭 방법 발견]

슈퍼컴퓨터 이상의 컴퓨터로 불리는 양자컴퓨터, 원천적으로 해킹이 불가능한 양자통신 등 대부분의 양자정보기술은 양자얽힘*1 원리를 기반으로 하고 있다. 그러나 양자얽힘은 아주 작은 미시 세계에 존재할 뿐만 아니라, 측정하기만 해도 충격을 받는 ‘연약한’ 특성을 가지고 있다. 고전적 한계를 뛰어넘는 정밀도를 가진 양자계측*2 역시 현실에서 구현하기 어려운 양자얽힘을 사용해야 한다고 알려져 있었지만, 국내 연구진이 양자얽힘 없이도 측정 정확도를 높일 수 있는 방법을 찾았다.

물리학과 김윤호 교수, 김요셉 박사 연구팀은 양자얽힘 없이 하이젠베르크 한계에 도달하는 약한 값 증폭 방법을 발견했다. 하이젠베르크 한계란 양자계측 시 측정 정확도를 획기적으로 높일 수 있는 상한선을 의미한다.

양자를 측정하는 방법 중 하나인 ‘약한 양자측정’은 측정 대상인 양자 상태에 충격을 적게 주면서도 시스템의 정보를 최대한 많이 알아내려는 접근법이다. 양자 상태를 붕괴하지 않으면서도 효율적으로 측정할 수 있다는 점이 특징이다.


이렇게 측정된 약한 값을 이용하면 아주 작은 시간차나 위상차 등의 물리량을 증폭시킬 수 있다. 다만, 이 방법은 기존의 측정 방법에 비해 오류가 적지만, 정작 측정 성공 확률이 낮다는 치명적인 한계가 있었다. 이후 양자얽힘을 활용하여 이러한 한계를 극복할 수 있는 방법이 제안되었지만, 대규모 양자얽힘 상태 생성의 어려움은 하이젠베르크 한계의 양자계측을 실현하는 데 큰 걸림돌이 되고 있었다.

연구팀은 약한 값 증폭 시, 양자얽힘을 사용하지 않아도 각기 다른 양자 상태가 반복적으로 상호작용하며 하이젠베르크 한계에 도달할 수 있음을 확인했다. 하이젠베르크의 한계에 도달하게 되는 원인이 양자얽힘 자체에서 오는 것이 아니라 다른 양자 상태 간의 반복적인 상호작용에서 비롯한 효과라는 설명이다.


김윤호 교수는 “이 연구성과를 통해 양자한계 측정에서 양자얽힘이 반드시 필요하지 않다는 사실을 확인함으로써 양자계측의 실용화에 기여할 것”이라고 말했다.

한편, 이 연구성과는 국제 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터(Physical Review Letters)’에 최근 게재됐다.


1. 양자얽힘
여러 양자계 사이에 존재하는 특별한 상관관계.

2. 양자계측
양자적 성질을 이용해 물리량을 측정하는 방법.