효율적 전송·연산 '얽힘'…양자컴퓨터 다가왔다

우리나라·이탈리아 공동연구팀 규명

▲빛의 이종(異種)얽힘 구현 방법.[사진제공=미래부]

[아시아경제 정종오 기자]양자컴퓨터 개발에 대한 실마리가 나왔다. 우리나라와 이탈리아 국제 공동연구팀이 파동성질의 빛과 입자성질의 빛 사이에 얽힘을 만들어낸 것이다. 파동과 입자 두 가지 성질을 갖고 있는 빛은 각각 정보 연산과 전송이라는 장점을 가지고 있어 앞으로 양자컴퓨터의 실현을 앞당길 것으로 기대된다.

양자컴퓨터는 사람이 경험하는 세계에서는 불가능한 주로 미시세계의 아주 작은 전자나 광자 같은 양자(quantum)를 이용한 정보처리방식의 컴퓨터를 말한다. 암호해독 분야에서 기존의 한계를 뛰어넘을 것으로 기대를 모으고 있다.

얽힘은 물리계가 서로 분리됐음에도 어느 한쪽의 상태가 결정되면 다른 쪽 상태도 그 결과에 따라 결정되는 현상을 말한다.

성질이 다른 빛의 얽힘은 실용적 양자컴퓨터를 만드는데 있어 아주 중요한 부분이다. 연산이 필요한 경우 파동성질의 빛을 통해 연산하고 전송이 필요한 경우에는 입자성질의 양자 빛을 통해 전송하는 등 효율적 정보처리가 가능하기 때문이다.

이러한 얽힘은 상호작용하지 않으려는 입자성질 빛 간의 강한 상호작용을 유도해야하기 때문에 구현이 어려웠다. 기존에도 둘의 상호작용을 유도할 수는 있었으나 얽힘을 만들 수는 없었다.

연구팀은 양자 중첩의 원리(서로 구별되는 두 상태가 어느 쪽인지 결정되지 않은 상태로 혼재돼 있을 수 있다는 것으로 양자물리학의 기본이 되는 원리)를 이용해 양자 빛 입자간 직접적 상호작용 없이 양자 빛과 파동성질 빛의 얽힘을 만들어냈다.

파동성질의 빛은 전송은 어려우나 연산이나 측정이 원활한 반면 입자성질을 가진 양자 빛은 전송은 효율적이나 연산이나 측정에서 오류가 발생하기 쉽다. 이들 둘이 얽히는 경우 효율적 전송과 연산이라는 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 있게 된다.

연구팀은 광자(빛의 에너지의 최소단위를 가지는 빛의 입자) 하나를 각각 파동성질의 빛과 진공에 더하는 상황을 양자물리학적으로 중첩시키기 위해 광자가 어느 쪽으로 더해졌는지에 대한 정보를 지워버리는 방식을 이용했다.

단일 광자 간 얽힘이 아닌 단일 광자와 성질이 다른 파동성질 빛과의 얽힘을 실험적으로 구현한 것은 이번이 처음이다. 공동 연구팀은 앞으로 양자컴퓨터 구현을 위한 중간단계로 양자 빛에 담긴 정보를 파동성질 빛으로 순간 이동시키는 연구에 도전할 계획이다.

이번 연구는 서울대 물리천문학부 정현석 교수와 이탈리아 광학연구소 마르코 벨리니 박사가 이끄는 연구팀이 수행했다. 미래창조과학부가 추진하는 리더연구자지원사업의 지원으로 이뤄졌다. 네이처 포토닉스(Nature Photonics) 온라인판 6월 23일자(논문명:Generation of hybrid entanglement of light)에 실렸다.

정 교수는 "성질이 다른 두 물리계의 얽힘을 빛의 상태로 구현됨에 따라 파동과 입자 세계를 연결하고 빛을 이용한 양자컴퓨터를 실용적으로 구현하는 데 한걸음 더 가까이 다가선 것"이라고 말했다.