Quantum Metrological Power of Continuous-Variable Quantum Networks

양자 계측(quantum metrology)은 양자 역학이 갖는 특성을 이용하여 제한된 자원으로 높은 계측 정확도를 달성하는 것을 목표로 하는 연구분야이다. 최근에는 원거리 양자 얽힘을 만들어내는 양자 네트워크를 이용하여 고전적으로는 달성할 수 없는 높은 계측 정확도를 달성할 수 있는 방법에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이때 계측 정확도는 피셔 정보(Fisher information)의 역수의 제곱근만큼 줄일 수 있다는 것이 알려져 있다. 각각의 평균 광자 수가 고정된 M 개 모드의 시스템에서 양자 네트워크가 없는 경우에는 피셔 정보(Fisher information)가 최대 M 에 비례하여 증가하지만, 특정한 양자 네트워크를 이용할 경우 의 제곱에 비례하게 증가시킬 수 있음이 알려져 있고, 이를 하이젠베르크 스케일링이라고 부른다. 기존의 연구에 따르면 이러한 양자 효과를 보이는 정확도 달성을 위해서는 각 계측에 맞는 매우 특별한 구조의 양자 네트워크가 필요했다.

본 연구에서 저자들은 기존 연구에서 알려진 특별한 구조의 네트워크뿐 아니라, 대부분의 양자 네트워크가 하이젠베르크 스케일링을 달성할 수 있다는 사실을 증명했다. 또한  M 개 모드 양자 네트워크는 최인접 양자 네트워크(nearest neighbor quantum network)를 쌓아서 구현될 수 있는데, 각각의 최인접 양자 네트워크를 무작위로 샘플링하여 시뮬레이션 한 경우에도 우리의 이론이 여전히 성립함을 수치적으로 보였다. 마지막으로 현실에서 존재하는 광자 손실을 고려하여, 광자 손실률이 1/M 까지 증가하더라도 우리의 이론이 여전히 성립함을 보였다. 이 연구는 최초로 일반적인 양자 네트워크의 유용성을 증명했을 뿐만 아니라, 현재 기술로 구현 가능한 선형 광학 시스템과 조임 상태(squeezed state)만을 이용했다는 점, 또한 아주 특별한 구조의 양자 네트워크를 만들어야 한다는 제약을 없앴다는 점 등에서 관련된 실험 연구에도 많은 영향을 미칠 것으로 기대된다.

참여저자: 권혁건(서울대), 임영롱(고등과학원, 2016년 본교 졸), Liang Jiang(시카고대), 정현석*(서울대), 오창훈*(시카고대, 2020년 본교 졸)

H. Kwon, Y. Lim, L. Jiang, H. Jeong, and C. Oh, Phys. Rev. Lett. 128, 180503 (Published 4 May 2022)

URL: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.180503
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.180503