Quandela, 광자 양자 저수지 처리로 단일 기저 양자 단층촬영 실증

연구 배경과 참여 구성

이번 연구는 EU 호라이즌 유럽 QUONDENSATE Pathfinder 프로젝트의 지원 아래 수행됐다. Quandela, 폴란드 과학원 이론물리학센터, 바르샤바 대학교 연구진이 협력해 양자 머신러닝(QML) 아키텍처를 물리 하드웨어에서 실증했다. 연구 목표는 크게 두 가지다. 첫째는 단일 고정 기저를 이용한 완전한 양자 상태 단층촬영(tomography), 둘째는 고전 이진 분류 작업에서의 하드웨어 오류 내성 확보다.

광자 QPU 기반 저수지 처리 구조

실험의 핵심은 양자 저수지 컴퓨팅(QRC) 원리를 활용한 QRP 네트워크다. 비훈련형 저수지 역할을 하는 Bell-Walmsley 간섭계 메쉬가 실리콘 칩 위에 구현되며, 광도파로·모드 결합기·열광학 위상 변환기로 구성된다. 반도체 양자점이 마이크로필라 공동 안에서 생성한 단일광자 펄스가 12모드 능동 역다중화기를 거쳐 Quandela의 24모드 Belenos QPU에 다모드 비고전 상태로 입력된다. 광자들이 Mach-Zehnder 간섭계(MZI) 배열을 통과하며 양자 간섭에 의한 복잡한 변환을 겪고, 편광 분해 광자수 분해(PNR) 검출기와 전자 상관기가 출력 상태를 측정한다. 이 시스템은 다중광자 동시계수 확률 분포로부터 15개 원소의 특징 벡터를 구성함으로써, 0 또는 1 광자만 구별하는 임계 검출기의 한계를 극복한다.

단일 기저 양자 단층촬영 성능

QRP 플랫폼의 핵심 이점은 측정 기저 수를 획기적으로 줄인다는 데 있다. 기존 양자 상태 단층촬영은 복잡한 양자 상태를 재구성하기 위해 서로 다른 기저에서 지수적으로 많은 물리 측정을 요구한다. QRP 방식은 단일 랜덤 유니터리 변환 행렬 하나로 다모드 양자 상호 연관을 광자 계수 신호에 담아낸다.

두 광자 혼합 밀도 행렬에 대한 벤치마크 결과, 표준 PNR 기반 기법은 평균 충실도(fidelity) 0.747을 기록했으나 비대각 위상 결맞음 성분을 포착하지 못하는 구조적 한계를 드러냈다. 반면 QRP 하드웨어는 평균 충실도 0.820을 달성하며 위상 및 상태 구조 전체를 복원했다. 복원된 밀도 행렬에서는 순도(purity), 폰 노이만 엔트로피, 음수성(negativity, 얽힘의 정량 지표)을 정밀하게 추출했다. 또한 필요 특징 공간의 차원이 대상 상태의 모드 수에 대해 이차(quadratic) 스케일링을 따름을 증명해, 3모드(독립 매개변수 45개) 이상으로 확장 가능한 청사진을 제시했다.

고전 분류와 하드웨어 인식 오류 완화

연구팀은 비선형 이진 분류 과제—이중 나선형으로 뒤엉킨 데이터 점 분리—를 Quandela의 12모드 Ascella 프로세서에서 수행했다. 실리콘 하드웨어는 제조 공정 편차, 열 드리프트, 변환 오류 등 다양한 노이즈를 내포하기 때문에, 이상적 시뮬레이션과 실제 하드웨어 사이의 성능 괴리가 발생한다. 이를 극복하기 위해 훈련 단계에서 이상적 저수지 행렬에 하드웨어 실측 변환 오류 크기와 동일한 진폭의 랜덤 유니터리 섭동 행렬을 의도적으로 주입했다. 이 하드웨어 인식 인실리코 훈련이 소프트웨어 판독 레이어의 내성을 높여, 실험 분류 정확도 약 79.7%를 기록했다. 이는 결맞음 상태 입력과 평균 강도 계수만 사용하는 동일 구조의 순고전 시뮬레이션 네트워크를 웃도는 수치다.

의의와 한계

이번 성과는 현재 세대 광자 양자 하드웨어에서 머신러닝과 양자 특성 평가를 동시에 수행할 수 있다는 실험적 근거를 마련한다. 단일 기저 단층촬영은 측정 오버헤드 절감 측면에서 실용성이 높으나, 현 실험은 이광자 수준에 그쳐 더 큰 모드 수·광자 수에서의 스케일링 검증은 향후 과제로 남아 있다. 또한 분류 정확도 79.7%는 기준선 대비 개선이지만, 실용 응용에 충분한 수준인지에 대한 추가 논의가 필요하다. 연구 결과는 프리프린트 형태로 공개됐으며, 동료 심사 출판 전 단계임을 감안해야 한다.