양자연산의 정확도를 높이는 핵심 기술, 3차원 클러스터 양자얽힘 상태 생성 성공
KAIST(총장 이광형) 물리학과 라영식 교수 연구팀이 양자 컴퓨터의 오류 정정에 필수적인 3차원 클러스터 양자얽힘 상태를 실험적으로 구현하는 데 성공했다. 이번 연구는 차세대 양자 컴퓨팅 기술 발전에 중요한 이정표가 될 것으로 기대된다.
양자 컴퓨팅의 핵심, 오류 정정을 위한 양자얽힘
양자 컴퓨터는 기존의 고전 컴퓨터로 해결하기 어려운 복잡한 연산을 효율적으로 수행할 수 있는 기술로 주목받고 있다. 하지만 연산 과정에서 발생하는 양자 오류를 정정하는 것은 필수적이며, 이를 위해 양자얽힘 상태를 활용하는 것이 중요하다. 특히, 측정 기반 양자 컴퓨팅 방식에서는 클러스터 상태를 형성하고 이를 측정해 연산을 수행하는데, 고도의 양자 얽힘 구조가 필요하다.
기존 연구에서는 2차원 클러스터 상태를 제작하는 데 성공했지만, 보다 정밀한 결함 허용(Fault-Tolerant) 양자 컴퓨팅을 구현하기 위해서는 3차원 구조의 클러스터 상태가 필수적이었다. 그러나 3차원 클러스터 상태는 복잡한 양자 얽힘 구조를 요구하기 때문에 그동안 실험적으로 구현되지 못했다.
3차원 클러스터 양자얽힘 구현, KAIST 연구팀 최초 성공
KAIST 라영식 교수 연구팀은 펨토초(10조분의 1초) 단위의 초고속 레이저와 비선형 광학 기술을 활용해 3차원 클러스터 양자얽힘 상태를 생성하는 데 성공했다. 연구팀은 비선형 결정에 펨토초 레이저를 입사시켜 다중 주파수 모드에서 양자 광원을 동시에 생성하는 기술을 개발했다. 이를 통해 기존 기술로는 구현하기 어려웠던 복잡한 3차원 클러스터 양자얽힘 상태를 세계 최초로 실험적으로 생성했다.
연구팀은 생성된 클러스터 상태의 nullifier를 측정하여 양자 얽힘의 신뢰도를 확인했다. 모든 nullifier에서 양자 잡음이 산탄 잡음보다 감소한 것을 검증하였으며, 양자 상태 토모그래피를 활용한 분석에서도 3차원 클러스터 상태가 계획된 형태의 양자 얽힘을 포함하고 있음을 확인했다.
양자 컴퓨팅의 미래를 앞당길 혁신적 연구
이번 연구는 3차원 클러스터 양자얽힘 상태의 실험적 구현을 최초로 성공한 사례로, 결함 허용 양자 컴퓨팅의 핵심 기술을 개발하는 데 중요한 발판이 될 것으로 평가된다. 측정 기반 양자 컴퓨팅과 더불어 양자 오류 정정 기술 발전에 기여할 것으로 기대되며, 향후 범용 양자 컴퓨터 개발에 필수적인 기술로 자리 잡을 전망이다.
라영식 교수는 “이번 연구는 기존 기술로는 구현이 어려웠던 3차원 클러스터 양자얽힘 상태를 성공적으로 제작한 사례”라며 “향후 양자 정보 과학 및 양자 컴퓨팅 연구에 중요한 역할을 할 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 물리학과 노찬 박사과정 학생이 제1저자로 참여했으며, 곽근희, 윤영도 석박사통합과정 학생이 공동 저자로 기여했다. 연구 결과는 세계적인 학술지 네이처 포토닉스(Nature Photonics)에 2025년 2월 24일자로 온라인 게재되었다. (논문명: Generation of three-dimensional cluster entangled state, DOI: 10.1038/s41566-025-01631-2)
이번 연구는 한국연구재단(양자컴퓨팅 기술개발사업, 중견연구자 지원사업, 소재혁신 양자시뮬레이터 개발사업), 정보통신기획평가원(양자인터넷 핵심원천기술 사업, 대학ICT연구센터지원사업), 미국 공군연구소의 지원을 받아 수행되었다.
이번 성과를 바탕으로 KAIST 연구팀은 보다 정교한 양자 얽힘 상태의 제어 및 응용 기술을 개발해 차세대 양자 컴퓨팅 기술 발전을 선도할 계획이다.
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