소산 기반 정상 상태 얽힘 실증—전송 없는 초전도 큐비트 원격 얽힘 구현

기존 얽힘 배포 방식의 근본적 취약점

얽힘 분배의 기존 절차는 두 단계로 구성된다. 먼저 한 장소에서 입자를 얽힘 상태로 준비한 뒤, 각 입자를 떨어진 위치로 전송한다. 이 전송 단계에서 외부 환경 노이즈가 얽힘을 빠르게 소멸시키는 결어긋남(decoherence) 현상이 발생한다. 결어긋남은 실용적인 양자 네트워크 구축을 가로막는 핵심 장애물로 지목되어 왔다.

소산 활용 얽힘: 캐스케이드 양자 시스템 이론

이번 연구는 이론물리학에서 오래 논의되어 온 '캐스케이드 양자 시스템' 개념을 실험으로 구현했다. 원자나 초전도 큐비트가 빛을 지속적으로 흡수하고 방출하는 환경에서, 외부 구동 광을 소산 에너지와 균형이 맞도록 정밀 주입하면 특정 정상 상태가 형성된다. 연구팀은 이 정상 상태를 공학적으로 설계해 두 큐비트가 물리적 이동 없이 얽힘 상태에 자연스럽게 도달하도록 했다. 시스템이 비평형 상태에 있음에도 얽힘이 이완점(relaxation point)으로 출현한다는 점이 이 접근의 핵심이다.

합성 스퀴징: 이상 모델과 현실 실험의 간극 해소

캐스케이드 양자 시스템은 이론적으로 잘 정립되어 있으나, 실험에서는 노이즈와 하드웨어 불완전성이 얽힘 품질을 크게 떨어뜨린다는 한계가 있었다. 시카고대 Aashish Clerk 교수 연구팀이 제안한 합성 스퀴징은 이러한 현실 효과를 보상하는 이론적 틀로, 이상화된 원본 모델의 조건을 실험 파라미터 조정을 통해 재현할 수 있음을 보였다. UIUC의 Wolfgang Pfaff 교수 팀이 이를 2큐비트 초전도 시스템에 실제로 적용해 고품질 정상 상태 얽힘을 달성했다. 단방향 도파관에 결합된 두 큐비트가 실험 구성의 핵심이었다.

실험 결과와 기술적 의미

구현된 얽힘은 정상 상태, 즉 이론상 임의의 거리에서 무기한 유지될 수 있는 형태다. 두 큐비트는 물리적으로 이동하지 않고 도파관을 통한 상호작용만으로 얽힘 상태에 도달하므로, 전송 경로에서의 결어긋남 문제를 원천적으로 회피한다. 연구팀은 이 기법이 잡음이 많고 손실이 큰 채널을 통해 양자 정보를 직접 전송하지 않고 양자 컴퓨터를 네트워킹하는 대안으로 유망하다고 평가한다. 다만 현재 달성한 얽힘 충실도(fidelity)는 이론적 한계에 미치지 못하는 수준이다.

향후 과제: 다중 큐비트 확장과 얽힘 증류

두 연구팀은 현재 합성 스퀴징을 다중 큐비트 시스템으로 확장하는 작업을 진행 중이다. 특히 낮은 얽힘도를 가진 다수의 큐비트 쌍에서 소수의 고충실도 얽힘 쌍을 추출하는 얽힘 증류(entanglement distillation) 프로토콜의 적용이 주요 목표다. 이 단계가 실현되면 해당 시스템에서 실질적인 양자 컴퓨팅 연산 수행으로 나아갈 수 있다. 이번 연구에는 UIUC의 Abdullah Irfan, Kaushik Singirikonda, Michael Mollenhauer, Xio Cao와 시카고대의 Mingxing Yao, Andrew Lingenfelter가 공동으로 참여했다.