원자단위의 미시세계에서 일어나는 자연현상은 고전물리학으로는 도저히 설명되지 않았고 이는 양자물리학이 태동하는 계기가 되었다. 20세기 물리학이 미시세계 현상을 양자역학을 기반으로 이해하는 것에 주안점을 두었다면, 21세기에는 중첩(superposition)과 양자얽힘(quantum entanglement)과 같은 양자역학적 현상을 정보기술(Information Technology)에 직접 활용하고자 하는 양자정보기술(Quantum Information Technology) 연구가 활성화 되었다.
대표적으로 정보처리계산에 활용하는 양자컴퓨터는 꿈의 컴퓨터라고 불리며 2017년 MIT Technology Review 선정 10대 Breakthrough 기술로 선정되기도 하였다. 이러한 양자컴퓨터 기술이 구현된다면 암호해독, 최적화 문제, 기계학습, 신약개발 등의 복잡한 계산능력이 요구되는 영역에서 활용될 수 있으며, 여러 응용분야에서 기존 슈퍼컴퓨터의 계산능력을 뛰어넘을 수 있는 잠재력을 지니고 있다. 이러한 중요성을 인지하여 IBM, 구글, 인텔 등과 같은 IT 대기업뿐만 아니라 전 세계적으로 국가적 지원에 의해 양자컴퓨터 연구지원이 활성화되고 있다.
최근 국내 최고 수준의 연구진들이 협업 연구를 통해 양자물리학 법칙에 의해 작동하는 ‘미래형 첨단 컴퓨터’인 양자컴퓨터의 구현 및 검증 방법을 해결했다. 한국과학기술연구원(KIST) 양자정보연구단 조영욱 박사팀은 새로운 융합연구 형태인 개방형 연구사업(ORP, Open Research Program)의 일환으로 'KIST Joint Research Lab' 포항공대 김윤호 교수팀(POSTECH)과 공동연구를 통해 양자컴퓨터의 연산과정을 효율적으로 검증할 수 있는 새로운 방법을 구현한 것이다.
KIST는 국가적으로 중요한 미래성장 동력 확보를 위한 개방형 융합연구 형태인 ORP 사업을 통해 양자정보 분야의 국내외 최고 수준의 전문가들로 컨소시움을 구성하고 4차 산업혁명을 이끌 차세대 최첨단 컴퓨터인 양자컴퓨팅 연구를 수행하고 있다. 이번 연구 결과는 KIST 양자컴퓨팅 개방형 융합연구사업(ORP)을 통해 구성된 국내 연구진만으로 수행된 결과로 큰 의의를 가진다.
연구 결과는 양립할 수 없는 두 관측량을 동시에 측정할 수 없다는 양자물리학의 고정관념을 깨고 두 관측량을 동시에 측정 가능함을 보이고 이를 활용하여 양자연산 과정을 효율적으로 검증할 수 있는 방법을 보인 것이다. 양자역학에서 이미 잘 알려진 불확정성 원리에 따르면 서로 양립할 수 없는 관측량들이 존재한다. 대표적인 예로 어떤 입자의 위치와 운동량 성분의 경우 둘 모두를 동시에 측정할 수 없다는 뜻이다.
이는 ‘양자측정’의 행위가 양자상태를 붕괴시키기 때문인데, 이번 연구에서는 가장 일반화된 양자측정 방법에서 허용되는 약한(weak) 양자측정기법을 통해 양자상태를 완전히 붕괴시키지 않음으로써 양립할 수 없는 관측량들을 동시에 측정하는데 성공하였다. 또한, 이러한 양자측정방법을 이용하여 양자컴퓨터의 연산과정을 효율적으로 검증할 수 있는 새로운 기법이 가능함을 보이고 이를 단일광자 큐비트(qubit : 양자정보기술에서 기본 정보단위로 현대 정보기술의 디지털 bit에 해당)를 이용하여 실험적으로 규명한 것이다.
KIST 조영욱 박사는 “최근 최첨단 미래기술 중 하나인 양자정보기술은 전 세계적으로 관심이 증대되고 있다.”고 말하면서, “본 연구결과는 양자컴퓨터 개발을 위한 기초과학 성격의 연구 결과로, 양자물리학의 근본원리를 직접 응용하는 양자정보기술 전반에 활용될 것으로 전망하며, 양자컴퓨팅 연구 기반 확보에 큰 도움이 될 것으로 기대한다.”고 밝혔다.
한편 연구결과는 자연과학분야의 국제학술지인 ‘Nature Communications’ (IF:12.124, JCR 상위분야 4.69%) 1월 15일(월)자 온라인에 게재되었다.(논문명) Direct quantum process tomography via measuring sequential weak values of incompatible observables
