한양대학교 물리학과 이진형 교수팀이 한국표준과학연구원(KRISS) 등과 함께 양자암호통신과 양자컴퓨팅에 사용되는 큐비트의 상태를 정밀하게 측정할 수 있는 기술을 개발했다고 지난 25일 밝혔다. 

큐비트는 기본 양자 입자에 저장된 정보인 0과 1의 중첩이 가능하고 정보 보안성과 대용량 정보처리가 가능해 양자암호통신과 양자컴퓨팅에 사용된다. 

양자상태 정밀측정기술은 양자정보 기술의 신뢰성 검증을 위한 핵심이다. 또한, 양자암호통신을 포함한 양자정보 기술 산업 분야에서 널리 활용될 수 있다. 

연구팀에 의하면 양자상태의 부정확한 측정은 정보 오류를 유발하고 응용기술이 본래 목적을 달성할 수 없게 한다. 측정 행위가 측정 대상인 양자상태에 영향을 주고 이런 상호작용이 양자컴퓨터 계산 과정이나 양자 통신에 활용되기 때문이다. 

따라서 양자상태를 정밀하게 측정하려는 연구는 꾸준히 수행돼 왔으나 양자역학적 입자들을 직접 측정하는 양자 기술 특성상 측정 대상 수가 많지 않아 정밀도가 제한적이었다.

이를 개선하기 위해 머신러닝 방법론이 사용돼 왔다. 대부분의 연구는 양자 입자를 단계별로 측정해 특정 값을 추정하는 방법을 사용했다. 하지만 이 방법은 정보 갱신을 위해 상대적으로 큰 데이터양의 지속적인 업데이트가 필요하며 시간 소요가 큰 계산 과정을 요구한다.

연구팀은 기존의 방법보다 단순한 규칙을 활용하여 시간 소요가 거의 없는 머신러닝 방법론을 개발했다. 이는 이론적으로 최적의 자원 효율성을 가지면서 기존 결과보다 5배 이상의 정확도로 측정이 가능함이 실험으로 입증됐다.

이번 연구 결과는 인공위성 양자암호통신의 송신부와 수신부 기준 축을 실시간 정렬, 보정하는 작업에 적용될 수 있다. 우주 위성에 활용되는 양자통신은 광자들의 편광을 이용해 양자정보를 전송하는데 기준 축 정렬의 부정확도에 따라 암호키 분배율이 떨어지거나 분배가 불가능할 수 있다. 연구팀의 성과는 복잡한 계산 없이 빠른 광정렬이 가능해 이 같은 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다.

한편, 이번 연구는 표준연 기관고유사업, 신진연구자 지원사업, 국가 과학기술연구회 창의형 융합연구사업, 한국연구재단 양자컴퓨팅 기술개발사업, 고등과학원 첨단 기초과학연구사업 지원을 받았다. 연구 결과는 물리분야 저널인 피지컬 리뷰 레터스에 지난달 30일 온라인 게재됐다.