카이스트(KAIST, 총장 이광형)는 라영식 물리학과 교수 연구팀이 양자오류 정정 기술의 핵심이 되는 3차원 클러스터 양자얽힘 상태를 실험으로 구현하는데 성공했다고 25일 밝혔다.
양자 컴퓨팅은 고전 컴퓨터로는 계산하기 어려운 복잡한 연산을 효율적으로 해결할 수 있는 양자 기술이다. 양자 컴퓨터가 이를 정확히 수행하려면 연산 과정에서 발생하는 양자 오류를 정정하는 것이 필수적이다.
‘측정기반 양자 컴퓨팅(cluster entangled state)’은 특수한 양자얽힘 구조를 가진 클러스터 상태를 측정해 양자 연산을 구현하는 새로운 패러다임의 양자 컴퓨팅 방식으로, 클러스터 양자얽힘 상태를 제작하는 게 핵심이다.
기존 연구에서는 2차원 클러스터 상태가 사용돼 왔다. 그러나 양자연산에서 발생하는 양자오류를 정정할 수 있는 결함 허용 양자컴퓨팅(Fault-Tolerant Quantum Computing)으로 발전하려면 더욱 복잡한 3차원 구조의 클러스터 상태가 필요해 그동안 실험이 구현되지 못했다.
연구팀은 펨토초 시간-주파수 모드를 제어해 양자얽힘을 구현하는 기술을 개발함으로써 3차원 구조의 클러스터 양자얽힘 상태를 생성하는 데 최초로 성공했다.
펨토초 레이저는 극도로 짧은 시간 동안 강한 빛 펄스를 방출하는 장치로, 연구팀은 비선형 결정에 펨토초 레이저를 입사시켜 여러 주파수 모드에서 양자 광원을 동시에 생성하고 이를 활용해 3차원 구조의 클러스터 양자얽힘을 생성했다.
이번 연구는 결함허용 양자 컴퓨팅의 핵심 요소인 3차원 클러스터 양자얽힘 상태를 실험으로 구현한 첫 사례다. 카이스트는 해당 연구가 향후 양자 정보 과학 및 양자 컴퓨팅 연구에 중요한 역할을 할 것으로 기대하고 있다.
라영식 교수는 “이번 연구는 기존 기술로는 구현하기 어려웠던 3차원 클러스터 양자얽힘 상태 제작에 성공한 최초의 사례”라며 “향후 측정 기반 양자컴퓨팅 및 결함 허용 양자컴퓨팅 연구에 있어 중요한 발판이 될 것”이라고 말했다.
한국연구재단과 정보통신기획평가원 및 미국 공군연구소의 지원을 받아 수행된 이번 연구에는 물리학과 노찬 석박사통합과정 학생이 제1 저자로 참여하고 곽근희, 윤영도 석박사통합과정 학생이 공동 저자로 참여했다. 연구 결과는 국제 학술지 `네이처 포토닉스(Nature Photonics)’에 2025년 2월 24일 온라인판으로 정식 출판됐다.
김경아 기자
kimka@chosunbiz.com
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