중급
광자 큐비트
photonic qubit
빛의 최소 단위인 광자(photon)를 이용해 양자 정보의 기본 단위인 큐비트를 구현한 것으로, 광자의 편광·경로·시간 슬롯 등 자유도를 |0⟩과 |1⟩ 상태로 활용한다.
직관적 비유
동전을 공중에 던진 순간을 상상해 보자. 착지하기 전까지 동전은 '앞면도, 뒷면도 아닌' 중첩 상태에 있다. 광자 큐비트는 이 동전 역할을 빛 알갱이 하나가 수행하는 것이다. 예컨대 수평 편광을 |0⟩, 수직 편광을 |1⟩로 약속하면 광자 하나가 양자 정보 1비트를 담는다.
엄밀한 정의
광자의 이산 자유도(discrete degree of freedom) — 편광(polarization), 경로(path), 궤도 각운동량(OAM), 시간 빈(time-bin) 등 — 가운데 두 정규직교 상태를 선택해 힐베르트 공간 $\mathcal{H} \cong \mathbb{C}^2$ 위의 큐비트 $$|\psi\rangle = \alpha|0\rangle + \beta|1\rangle, \quad |\alpha|^2+|\beta|^2=1$$ 를 구성한 물리적 구현체다. 단일 광자 발생원, 빔 분할기(BS), 파장판(wave plate), 단일 광자 검출기가 핵심 소자를 이룬다.
중요성 및 응용
- 실온 동작: 초전도·이온 트랩과 달리 극저온 환경이 불필요하다.
- 장거리 양자 통신: 광섬유·자유 공간 전송에서 결어긋남(decoherence)이 매우 낮아 양자 키 분배(QKD)의 표준 매개체로 쓰인다.
- 선형 광학 양자 계산(LOQC): KLM 프로토콜을 기반으로 측정 기반 양자 계산(MBQC)을 구현할 수 있다.
- 한계: 광자 간 결정론적 상호작용이 약해 2큐비트 게이트 구현이 어렵고, 광자 손실이 주요 오류 원인이다.