Nearly Deterministic Bell Measurement for Multiphoton Qubits and its Application to Quantum Information Processing

우리 학부 정현석 교수 연구실(거시양자제어연구단 이승우 교수, 박기민 박사, 정현석 교수)에서 많은 수의 광자들을 한꺼번에 순간이동 시킬 수 있는 양자 측정 방법을 찾아내어 효율적인 양자정보처리의 가능성을 열었다.

하나의 단일 광자를 순간이동 시키기 위해서는 먼저 얽힌 광자 쌍을 만들어낸 후에 양자 얽힘을 구별해내는 특별한 양자측정(벨 측정이라고 불림)을 수행해야 한다는 것이 알려져 있었다. 그러나 이러한 방법으로 하나의 광자를 순간이동 시키는 것은 양자역학 자체의 불확실성으로 인해 성공확률이 일반적으로 50%를 넘을 수 없다는 문제가 있었다. 이러한 방법으로 다수의 광자들을 순간이동 시키기 위해서는 하나를 보낼 때마다 각각 양자 측정을 수행해야 하며, 각각의 측정이 모두 성공해야 한다. 따라서 전체 과정이 성공할 확률은 매우 낮을 수밖에 없었으며 이는 양자정보기술의 개발에 큰 장애요인으로 알려져 있었다.

연구팀은 단일 광자들 간의 얽힘이 아닌 많은 수의 광자들이 한꺼번에 얽혀있는 상태를 사용하여 문제를 해결할 수 있음을 밝혔다. 이러한 다광자 얽힘 상태를 이용할 경우 모든 광자들이 서로 얽혀있는 특별한 성질 때문에 단일 광자들에 대한 양자 측정이 단 한번만 성공해도 다광자 얽힘 상태에 포함된 광자들의 수에 해당하는 만큼의 많은 광자들을 순간이동 시킬 수 있게 된다. 연구팀은 또한 이러한 방법이 양자컴퓨터의 효율적 구현에 열쇠가 될 수 있음을 보였다. 기존의 방법과 같이 하나의 광자로 하나의 양자 비트를 구성하는 것이 아니라 여러 개의 광자로 하나의 양자 비트를 구성하여 양자 비트의 전송 및 연산 확률을 획기적으로 높일 수 있으므로 확장성이 있는 양자전산을 수행할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구 결과는 3월 18일 Physical Review Letters에 온라인 발표되었다.

제목: Nearly deterministic Bell measurement for multiphoton qubits and its application to quantum information processing
저자: 이승우(서울대), 박기민(서울대/체코 Placky 대학), T.C. Rlaph(Univ. of Queensland), 정현석(서울대)
저널: Physical Review Letters (Published online 18 March 2015)