[녹색경제신문 = 이지웅 기자] 라영식 카이스트 물리학과 교수 연구팀이 양자오류 정정 기술의 핵심이 되는 3차원 클러스터 양자얽힘 상태를 실험으로 구현하는데 성공했다.

측정기반 양자 컴퓨팅은 특수한 양자얽힘 구조를 가진 클러스터 상태를 측정해 양자 연산을 구현한다. 핵심은 클러스터 양자얽힘 상태의 제작에 있으며, 범용 양자컴퓨팅을 위해 2차원 구조의 클러스터 상태가 사용된다.

여기서 양자연산에서 발생하는 양자오류를 정정할 수 있는 결함 허용 양자컴퓨팅(Fault-Tolerant Quantum Computing)으로 발전하려면 더욱 복잡한 3차원 구조의 클러스터 상태가 필요하다.

기존 연구에서는 2차원 클러스터 상태 제작이 보고됐다. 다만 결함 허용 양자컴퓨팅에 필요한 3차원 클러스터 상태는 양자얽힘의 구조의 복잡성 때문에 실험으로 구현되지 못했다.

이러한 상황에서, 연구팀은 펨토초 시간-주파수 모드를 제어해 양자얽힘을 구현하는 기술을 개발했다. 이를 통해 3차원 구조의 클러스터 양자얽힘 상태를 생성하는 데 최초로 성공했다.

펨토초 레이저는 극도로 짧은 시간 동안 강한 빛 펄스를 방출하는 장치다. 연구팀은 비선형 결정에 펨토초 레이저를 입사시켜 여러 주파수 모드에서 양자 광원을 동시에 생성하고, 이를 활용해 3차원 구조의 클러스터 양자얽힘을 생성했다.

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.

한편 이번 연구는 한국연구재단 (양자컴퓨팅 기술개발사업, 중견연구자 지원사업, 소재혁신 양자시뮬레이터 개발사업)과 정보통신기획평가원 (양자인터넷 핵심원천기술 사업, 대학ICT연구센터지원사업) 및 미국 공군연구소의 지원을 받아 수행됐다.