복잡한 양자연산 ‘CT’처럼 들여다 본다

KAIST, 다중 광학모드 양자 토모그래피 기술 개발 16개 광학모드 양자연산 분석..양자컴퓨팅, 양자통신 등 확장 국내 연구진이 여러 개의 빛 신호가 얽혀 작동하는 양자컴퓨팅의 복잡한 연산 과정을 컴퓨터단층촬영(CT)처럼 볼 수 있는 기술을 개발했다. KAIST는 라영식 물리학과 교수 연구팀이 빛을 이용해 연산하는 양자컴퓨터 내부에서 일어나는 다중광학모드 양자연산의 특성을 빠르고 정확하게 파악할 수 있는 ‘양자연산 토모그래피’ 기술을 개발했다고 17일 밝혔다. 광학 기반 양자컴퓨팅은 빛이 가진 주파수, 공간, 편광 등 수많은 광학모드를 활용해 확장성 있는 양자연산을 구현한다. 이런 양자 연산 중 대규모 양자 얽힘 연산은 양자 컴퓨팅 성능 향상에 필수적이지만, 양자 단위(큐비트 또는 모드)가 많아질수록 작업량이 기하급수적으로 증가해 실험으로 정확히 규명하기 어려운 한계가 있다. 토모그래피는 의료용 CT처럼 보이지 않는 내부 구조를 다양한 데이터를 바탕으로 복원하는 기술로, 양자컴퓨팅에서 여러 실험 데이터를 이용해 양자연산 내부의 작동 원리를 재구성하는데 요구된다. 양자컴퓨터 안에서는 여러 개의 빛 신호가 서로 영향을 주며 복잡하게 얽혀 움직인다. 연구팀은 증폭 행렬(양자연산에서발생하는 빛의 진폭과 위상 변화)과 잡음 행렬(환경과의 상호작용으로 생기는 잡음 정보)을 도입해 여러 종류의 빛신호(양자상태)를 입력하고, 그 결과가 어떻게 바뀌는지를 정밀하게 관찰했다. 또 실제 내부에서 어떤 연산이 일어났는지를 통계기법을 이용해 역으로 추적했다. 그 결과, 기존 기술로는 5개 이상의 광학모드까지 분석이 가능하던 것을 16개의 광학모드가 서로 얽혀 작동하는 대규모 양자연산을 실험적으로 규명했다. 라영식 KAIST 교수는 “양자컴퓨팅의 필수 기반기술인 양자연산 토모그래피의 효율을 획기적으로 높인 성과로, 앞으로양자컴퓨팅·양자통신·양자센싱 등 다양한 양자기술의 확장성과 신뢰성을 높이는 데 기여할 것”이라고 말했다. 이 연구결과는 국제 학술지 ‘네이처 포토닉스’ 지난 11일 온라인에 실렸다.