국내 연구진이 양자통신과 양자컴퓨팅에 쓰이는 정보 단위인 큐비트 상태를 평가하는 기술을 개발하고 세계 최고 수준의 정확도를 달성했다.

연구진은 한국표준과학연구원 이상민 책임연구원, 박희수 양자기술연구소장, 한양대학교 이진형 교수, 고등과학원 김재완 교수, 한국전자통신연구원(ETRI) 방정호 선임연구원으로 구성됐다.

큐비트(qubit)는 원자, 광자와 같은 기본 양자입자에 저장된 정보. 0과 1의 중첩이 가능해 정보의 보안성이 높고 경우에 따라 대용량 정보처리가 가능해, 양자암호통신과 양자컴퓨팅에서 사용되는 기본 정보 단위이다..

양자상태 정밀측정기술은 양자정보 기술의 신뢰성을 검증하기 위한 핵심기술이다. 양자암호통신을 포함한 양자정보 기술 산업 분야에서 널리 활용할 수 있다.

양자정보기술에서 측정은 그 자체가 정보처리 과정의 일부이기도 하다. 측정 행위가 측정 대상인 양자상태에 영향을 주고, 이런 상호작용을 양자컴퓨터의 계산 과정이나 양자통신에 활용하기 때문이다.

부정확한 측정은 정보의 오류를 유발하며, 응용기술은 본래 목적을 달성할 수 없다.

양자상태를 정밀하게 측정하려는 연구는 꾸준히 수행돼왔다. 그러나 원자나 광자 같은 양자역학적 입자들을 직접 측정하는 양자기술의 특성상, 측정 대상의 수가 많지 않아 정밀도가 제한적이다.

최근에는 이를 개선하기 위해서 머신러닝 방법론이 사용돼왔다. 기존에 제안된 대부분의 연구는 양자 입자를 단계별로 측정해 특정 값을 추정하는 방법을 사용했다.

단계별로 정보를 갱신하기 위해서는 상대적으로 큰 데이터양의 지속적인 업데이트가 필요하다. 이 때문에 시간 소요가 큰 계산 과정을 거쳐야 했다.

KRISS, 한양대, 고등과학원, ETRI 공동 연구진은 기존의 방법보다 훨씬 단순한 규칙을 활용, 시간 소요가 거의 없는 머신러닝 방법론을 개발했다.

이론적으로 최적의 자원효율성을 가지면서, 기존의 기술들이 달성하지 못한 수준의 정확도(<10-5)로 단일광자 큐비트 측정이 가능함을 실험으로 입증했다. 이는 기존 결과보다 적어도 5배 이상의 정확도를 갖는다.

 이 기술의 대표적 예로, 인공위성 양자암호통신의 송신부와 수신부의 기준 축을 실시간으로 정렬·보정하는 작업에 적용할 수 있다.

우주 위성에서 활용되는 양자통신은 광자들의 편광을 이용해 양자정보를 전송하는데, 기준축 정렬의 부정확도에 따라서 암호키 분배율이 떨어지거나 분배 자체가 불가능해질 수 있다.

연구진이 개발한 기술은 복잡한 계산 없이 빠른 광정렬을 수행할 수 있어 이런 문제점을 해결할 수 있다.

이상민 책임연구원은 “이번 연구결과는 양자통신 장치의 최적화와 같은 양자응용기술의 실질적인 속도 향상에도 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구결과는 물리 분야 최고권위 저널인 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters, IF:8.385)에 4월 30일 온라인 게재됐다.