양자 상태 평가·측정하는 정밀측정기술 개발 성공-기존 기술보다 5배 이상 정확, 양자통신 및 양자컴퓨팅 정확도 향상 기대

양자 상태 평가·측정하는 정밀측정기술 개발 성공-기존 기술보다 5배 이상 정확, 양자통신 및 양자컴퓨팅 정확도 향상 기대

2021-06-01관리자

 

 

 

양자 상태 평가·측정하는 정밀측정기술 개발 성공

- 기존 기술보다 5배 이상 정확, 양자통신‧양자컴퓨팅 정확도 향상 기대 -

 

 

국내 연구진이 양자통신과 양자컴퓨팅에 쓰이는 정보 단위인 큐비트* 상태를 평가하는 기술을 개발하고 세계 최고 수준의 정확도를 달성하는 데 성공했다.

 

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

 

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

 

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.

 

  * 광자(photon): 최소 에너지를 갖는 빛의 기본 단위로서 더는 나누어지지 않음

 

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

 

  * 자원효율성(resource efficiency): 사용된 자원의 크기(개체 수, N)가 증가함에 따라 측정정확도가 높아지는 경향성으로서, 본 연구에서는 주어진 상태와 예측값의 차이인 부정도(infidelity)가 감소하는 기울기로 정의함 (보통의 측정은 1/√N을, 양자역학적 한계는 1/N의 값을 가짐).

 

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.

 

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

 

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

 

붙임1

연구성과 추가 설명

 

 

□ 용어 설명

 

○ 큐비트(qubit)

원자, 광자와 같은 기본 양자입자에 저장된 정보로서, 0과 1의 중첩이 가능하여 정보의 보안성이 높고 경우에 따라 대용량 정보처리가 가능하여, 양자암호통신과 양자컴퓨팅에서 사용되는 기본 정보 단위.

 

○ 자원효율성(resource efficiency)

사용된 자원의 크기(개체 수, N)가 증가함에 따라 측정정확도가 높아지는 경향성으로서, 본 연구에서는 주어진 상태와 예측값의 차이인 부정도(infidelity)가 감소하는 기울기로 정의함 (보통의 측정은 1/√N을, 양자역학적 한계는 1/N의 값을 가짐).

 

○ 광자(photon)

최소 에너지를 갖는 빛의 기본 단위로서 더는 나누어지지 않음

 

□ 연구 이미지

 

 

 

▲ 단발 측정 및 학습을 이용한 자원효율적인 양자상태 정밀측정 개념도 및 실험 구성도

 

□ 관련 사업 및 논문 정보

 

- 사업명: 한국표준과학연구원 기관고유사업, 신진연구자 지원사업

          국가과학기술연구회 창의형융합연구사업 

          한국연구재단 양자컴퓨팅기술개발사업

          고등과학원 첨단기초과학연구사업

- 논문명: “Quantum State Learning via Single-Shot Measurements” Physical Review Letters, 2021.4.30. (IF: 8.385)

- 논문 주소: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.170504

 

붙임2

사진 자료

 

 

 

▲ KRISS 양자기술연구소 이상민 책임연구원이 양자 상태를 평가하는 실험을 하고 있다.

 

 

▲ KRISS 양자기술연구소 이상민 책임연구원이 양자 상태를 평가하는 실험을 하고 있다.

 

붙임3

연구팀 프로필

 

 

 1. 인적사항

 ○ 성 명 : 박희수

 ○ 소 속 : 한국표준과학연구원 양자기술연구소

 ○ 직 책 : 소장

 

 

 

 

 

 2. 경력사항

 ○  2020.3~현재 : 한국표준과학연구원 양자기술연구소장

 ○  2004.12～현재 : 한국표준과학연구원 책임연구원

 ○  2011.12～2012.12 : University of Illinois at Urbana-Champaign, Visiting Scholar

 ○  2003.4～2004.5 : University of Strathclyde, Research Associate

 ○  2002.3～2004.11 : 한국과학기술원 Postdoc

 

 3. 전문 분야 정보

 ○ 양자광학, 포토닉스

 

 4. 발표논문 및 특허

 ○ H. S. Park, S.-S. B. Lee, H. Kim, S.-K. Choi, and H.-S. Sim, “Construction of an Optimal Witness for Unknown Two-Qubit Entanglement,” Phys. Rev.  Lett. 105, 230404 (2010) 등 SCI급 논문 약 40편

 ○ “광자생성장치” 등 국내외 특허 등록 10여 건

 

 

 

1. 인적사항

 ○ 성 명 : 이상민

 ○ 소 속 : 한국표준과학연구원 양자기술연구소 양자정보팀

 ○ 직 위/직책 : 책임연구원/양자정보팀장  

 

 

 

 

2. 경력사항

 ○  2016～현재 : 한국표준과학연구원 책임연구원

 ○  2013～2016 : 부산대학교 극한물리연구소 연구교수

 ○  2010～2013 : 한국표준과학연구원 박사후연구원

 

3. 전문 분야 정보

 ○ 양자 정보, 양자 광학

 

 

1. 인적사항

 ○ 성 명 : 이진형

 ○ 소 속 : 한양대학교 물리학과

 ○ 직 위 : 교수

 

 

 

 

 

2. 경력사항

 ○  2003년 9월 ~ 현재: 한양대학교 조교수, 부교수, 정교수

 ○  2000년 3월 ~ 2003년 9월: 서강대 BK21 박사후 연구원, 서울 시립대 양자정보처리 연구단, 책임 연구원, 북아일랜드 Queen’s University Belfast, Research Fellow

 

3. 전문 분야 정보

 ○ 양자정보학, 양자생물학, 양자광학, 양자물리학

 

 

 

1. 인적사항

 ○ 성 명 : 방정호

 ○ 소 속 : 한국전자통신연구원

 ○ 직 위 : 선임연구원

 

 

 

 

2. 경력사항

 ○ 2021년-현재: 한국전자통신연구원 선임연구원

 ○ 2017-2021년: 고등과학원 리서치펠로/International Centre for Theoretical Quantum Technologies (ICTQT) 및 그단그크 대학(폴란드) 방문연구원

 ○ 2016-2017: 고려대 스마트양자통신센터/한양대 물리학과 연구교수

 ○ 2015: 광주과기원 광양자정보처리연구단 연구원

 ○ 2010-2015: 서울대 거시계양자제어센터 연구원

 

3. 전문 분야 정보

 ○ 양자머신러닝, 양자컴퓨팅/알고리즘