중국과기대, 양자 텔레포테이션으로 장거리 광자 손실 극복 실험 성공

연구의 배경: 광자 손실과 장거리 양자통신의 난제

광자는 양자 정보를 실어 나르는 매개체로 오랫동안 주목받아 왔지만, 전송 거리가 길어질수록 산란·흡수·소멸로 인한 광자 손실이 급격히 심화된다는 문제가 있다. 이 손실은 장거리 광학 기반 양자 통신망 구현의 핵심 걸림돌이다. 기존 연구들은 양자 텔레포테이션을 이 문제의 잠재적 해법으로 제시해 왔으나, 그 실제 효율 이점을 직접 전송 방식과 같은 조건에서 실험적으로 비교한 연구는 존재하지 않았다.

새로운 선고 얽힘 생성 방식

USTC 연구팀은 원거리에서도 높은 품질의 얽힘 광자쌍을 준비할 수 있는 새로운 전광학(all-optical) 방식을 개발했다. 핵심 아이디어는 6개의 광자를 생성한 뒤 그 중 4개를 측정하고, 그 측정 결과를 기반으로 나머지 2개의 광자가 고품질 EPR(아인슈타인-포돌스키-로젠) 쌍을 이루도록 선고(herald)하는 구조다. 이는 얽힘 교환(entanglement swapping)의 무조건부(unconditional) 버전으로 볼 수 있으며, 이렇게 생성된 얽힘 쌍은 직접 전송 시 발생하는 손실을 상당 부분 회피한다. 연구팀은 이 과정에서 선고 효율(heralding efficiency)과 충실도(fidelity) 등 주요 지표를 시뮬레이션과 실험으로 함께 검증했다.

실험 결과: 직접 전송 대비 3배 효율

연구팀은 투과율 약 1%로 설정된 극도의 손실 채널에서 실험을 진행했다. 텔레포테이션된 광자 큐비트의 효율과 충실도를 측정한 결과, 최적의 양자 복제(quantum cloning) 기법으로 보강한 직접 전송 방식과 비교해도 텔레포테이션이 약 3배 높은 효율을 기록했다. 이는 텔레포테이션이 단순히 원리 수준의 우아한 프로토콜에 머물지 않고, 실제 손실 조건에서도 측정 가능한 성능 이점을 가짐을 처음으로 실험적으로 보인 결과다.

기술적 의의와 한계

이번 연구는 양자 중계기(quantum repeater), 양자 릴레이, 분산 양자 컴퓨팅 등 미래 양자 네트워크 기술의 기반이 되는 헤럴드 얽힘 자원 생성 방식을 실험적으로 확립했다는 점에서 의미가 크다. 다만 실험은 여전히 고도로 통제된 실험실 환경에서 이루어졌으며, 실제 광섬유 링크나 도심형 양자 네트워크에서의 성능은 아직 검증되지 않았다. 연구팀은 후속 과제로 GHZ 상태 등 더 복잡한 얽힘 상태의 효율적인 헤럴드 생성 방법 개발과 실제 네트워크 환경에서의 실증을 계획하고 있다.