ISTA, 양자 배스로 원격 큐비트 자율 얽힘 생성 첫 실험 구현

기존 분산 얽힘 방식의 한계

양자 컴퓨터를 여러 모듈로 확장하려면 물리적으로 분리된 큐비트 사이의 얽힘이 필수적이다. 지금까지 이 문제를 해결하는 데에는 크게 두 가지 접근법이 사용돼 왔다. 첫 번째는 능동적으로 제어된 단일 광자를 한쪽 큐비트에서 다른 쪽으로 전송하는 방식이고, 두 번째는 각 큐비트가 광자를 방출한 뒤 이를 간섭시키는 방식이다. 두 번째 방법은 2022년 노벨 물리학상으로 인정받은 원리에 기반하지만, 수많은 반복 측정과 후선택(post-selection) 과정이 필요하며 얽힘이 항상 생성되는 것도 아니다.

양자 배스를 통한 자율 얽힘

ISTA의 박사과정생 알레한드로 안드레스-후아네스와 요하네스 핑크 교수 연구팀은 상관된 광자들의 지속적인 흐름으로 구성된 '양자 배스'를 설계했다. 이 배스는 큐비트의 환경 자체가 얽힘의 원천이 되도록 작동하며, 외부에서 측정하거나 개입하지 않아도 두 큐비트가 공통 바닥 상태로 안정화된다. 얽힘이 큐비트 자체의 수명을 넘어서도 유지된다는 점에서 기존 방식과 근본적으로 다른 접근이다. 연구진은 이 상태를 필요한 시점에 즉각 끌어다 쓸 수 있다는 점에서 이를 '온디맨드' 자원으로 규정한다.

연속변수와 이산변수 얽힘의 간극 해소

양자 얽힘에는 크게 연속변수 방식과 이산변수 방식이 있다. 연속변수 얽힘 상태는 생성이 상대적으로 용이하지만, 정작 대부분의 양자 정보 처리 응용에서 실제로 필요한 것은 0 또는 1로 확정되는 이산변수 방식이다. ISTA 연구팀은 마이크로파 광자를 매개로 삼아 이 두 형태 사이의 불일치를 극복했다. 마이크로파 광자는 현재 선도적 양자컴퓨팅 기술인 초전도 큐비트 플랫폼과 호환성이 높으며, 향후 광섬유 기반 원격 양자 통신과의 연계 가능성도 연구팀이 주목하는 방향이다.

실험 검증과 현재 효율의 한계

연구팀은 큐비트 상태를 검증하기 위해 양자 단층 촬영(quantum tomography) 기법을 활용했다. 큐비트는 중첩 상태에 있다가 측정 순간 0 또는 1로 붕괴하기 때문에, 20~80나노초 단위의 짧은 측정 데이터를 누적해 내부 상태를 재구성했다. 다만 현 단계에서 이 방법의 얽힘 전달 효율은 양자 배스가 보유한 얽힘의 약 10% 수준에 그친다. 능동 제어 방식에 비해 낮은 수치로, 실용화까지는 효율 개선이 과제다. 연구진은 원래 이론이 20여 년 전 이상화된 조건에서 제안됐고, 이번 실험을 통해 실제 구현을 가로막는 여러 요인이 처음으로 확인됐다고 설명한다.

기술적 의의와 전망

이번 연구는 증명 개념(proof-of-concept) 수준의 프로토타입 장치이지만, 복수의 원격 큐비트로 확장 가능한 단순한 구조를 제안한다는 점에서 의미가 있다. 능동 제어 없는 자율 얽힘 안정화는 오류 내성(fault-tolerant) 양자 프로세서 구현을 위한 설계 방향에 새로운 선택지를 제공할 수 있다. 연구팀은 이 장치가 양자 광학 실험 및 분산 양자 처리 플랫폼 연구에 활용될 수 있다고 보고 있다.