[더테크=조재호 기자]  KAIST의 라영식 물리학과 교수 연구팀이 ‘약한 양자 측정’을 양자얽힘 검증에 도입해 손상된 양자얽힘을 원래대로 되돌리는 기술 개발에 성공했다. 양자얽힘은 고전 물리로 설명될 수 없는 양자 물리의 고유한 특성으로 서로 멀리 떨어져 있는 두 입자 중 한쪽의 상태가 결정되면 다른 쪽의 상태가 결정되는 독특한 현상을 말한다.

양자얽힘의 존재는 양자 측정으로 검증해야 하지만 측정 과정 자체가 양자얽힘을 파괴해 검증된 양자얽힘 상태를 양자 기술로 활용하는데 어려움이 있었다. 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 양자얽힘을 거의 파괴하지 않는 ‘약한 양자 측정’을 도입해 양자얽힘을 검증하고 이 과정에서 손상된 양자얽힘을 ‘되돌림 측정’을 이용해 원상태로 되돌리는 기술을 개발했다.

‘약한 양자 측정’이란 양자 상태를 측정할 때 양자에 가해지는 변화를 줄이면서도 필요한 정보를 얻어낼 수 있는 양자 측정 기술이다. 양자얽힘을 완전히 파괴하지 않고도 양자얽힘의 존재를 확인할 수 있다.

아울러 연구진은 ‘되돌림 측정’으로 양자 측정 이후 손상된 양자 상태를 일정 확률로 원래대로 되돌려 원상태로 복구했다. 이러한 복구 과정은 양자얽힘 검증과 상호 교환 관계에 있는데 연구팀은 두 값을 적절히 조정하면 양자얽힘의 존재를 검증함과 동시에 다시 활용할 수 있음을 확인했다.

라영식 교수팀의 양자 측정 연구는 KAIST 물리학과 김현진 석박사통합과정 학생이 제1저자로 정지혁, 이경준 석박사통합과정 학생이 공동 저자로 참여했다. 이번 연구는 저명 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)' 2023년 10월 온라인판으로 정식 출판됐다.

더테크는 이번 연구와 관련해 더 많은 이야기를 들어보고자 라 교수와 인터뷰를 진행했다.

이번 양자 측정 연구에 대한 소개를 부탁합니다.

많은 양자기술은 양자얽힘이 있는 상태를 이용해 구현합니다. 이를 활용하기 위해서는 양자얽힘이 충분히 있는지 검증하는 과정이 필요하고 투영측정(projective measurement)을 활용하는데, 검증 과정에서 양자얽힘이 파괴되면서 양자기술에 활용하기 힘들었습니다.

이번 연구는 양자얽힘을 원래대로 되돌릴 수 있는 연구로 차후 양자 기술을 활용하는 방법의 토대를 마련했다는 점에서 의의가 있습니다.

양자 측정 기술을 활용할 수 있는 부분이 궁금합니다.

양자 통신이나 양자 암호 키 분배 등에 활용할 수 있습니다. 클래시컬한 기술은 품질을 측정할 수 없었는데 약한 양자 측정을 통해 퀄리티를 측정해 특정 부분을 골라서 사용할 수 있습니다.

손상된 양자 상태를 되돌리는 부분에서 확률이라는 이야기가 있었습니다.

확률에 있어서는 디바이스 신뢰도의 영향을 받습니다. 연구 환경에서는 100%의 가까운 재현율을 보이지만 신뢰할 수 없는 디바이스에선 이런 확률이 하락합니다. 다만, 이번 연구는 양자 기술의 기반을 다지는 기초 연구로 봐주시는 것이 좋을 것 같습니다. 

이번 연구와 더불어 향후 방향성에 대해 듣고 싶습니다.

이번 연구는 양자 기술에서 검증 단계를 추가해 다양한 양자 통신 기술에 응용해 검증된 상태로 기술을 활용할 수 있는 것에 있습니다. 굉장히 기초적인 연구지만 중요한 부분입니다. 국내 양자 연구 역량을 위해서는 기초부터 내실을 다져야할 필요성이 있습니다.