한국과학기술연구원(KIST) 양자정보연구단 조영욱 박사팀은 POSTECH 김윤호 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 양자 컴퓨터의 기본 단위인 큐비트의 상태를 측정할 때, 기하학적 위상이 발생한다는 사실을 규명했다.

양자컴퓨터는 양자역학의 기본원리로 동작하는데, 이를 구현하기 위해서는 양자역학계가 가지는 특성에 대한 근본적인 이해와 양자정보연산의 기본 단위인 큐비트에 대한 정밀한 조작과 측정기술이 필요하다.

기하학적 위상을 설명하기 위한 도식. 양자상태를 나타내는 큐비트는 블로흐 스피어 (Bloch sphere) 라 불리는 구의 한 점으로 표현할 수 있다. 큐비트가 초기상태에서 변화과정을 통해 다시 되돌아 왔을 때 변화과정의 기하하적 궤적 (블로흐 스피어 상의 면 적분)에 해당하는 양만큼의 위상을 얻게 되며 이를 기하학적 위상이라고 한다.

큐비트에 조작을 가하면 어떤 운동을 한 뒤 다시 기존의 출발했던 위치로 돌아왔을 때, 그 과정을 기억하는 현상이 발생하는데, 이를 양자 상태와 과정을 위상의 방식으로 기억하게 되는 ‘기하학적 위상’ 현상이라고 한다. 기하학적 위상은 자연계에서 보편적으로 나타나는 현상으로 재료공학, 광학, 양자정보 등 여러 분야에서 광범위하게 도입되어 활용되고 있다. 특히, 기하학적 위상의 응용범위가 양자컴퓨터 구현에 도움이 된다고 알려지면서 관심을 끌고 있다.

이번 연구에서 KIST 연구진은 양자정보의 기본 단위인 큐비트의 양자측정 과정에서 발생하는 기하학적 위상의 발생 메커니즘을 실험적으로 규명했다. 기하학적 위상은 일반적으로 양자상태가 느리게 변화하는 단열과정에서만 발생한다고 여겨졌으나, 즉각적으로 상태가 변화하는 ‘양자측정’ 과정에서도 나타날 수 있음이 예견돼왔다.

양자측정을 통해 발생하는 기하학적 위상을 측정하기 위한 양자회로도. 4개 큐비트를 활용했다.

연구는 큐비트 기반 양자회로를 활용, 양자물리계 이해를 위한 중요한 두 개념인 ‘기하학적 위상’과 ‘측정반작용’ 관계를 최초로 규명했다. 양자역학의 원리에 의하면 측정은 반드시 반작용을 동반하며 이를 ‘측정반작용 (Measurement back-action)’ 이라고 한다. 즉, 양자측정에 의해 양자정보의 변화가 일어나게 된다.

KIST 조영욱 박사는 “이번 연구결과는 큐비트 양자상태 및 프로세스 검증에 직접적으로 활용될 전망”이라고 말하여, “또한, 기하학적 위상은 큐비트의 양자적 특성을 유지하는데 도움이 되는 것으로 잘 알려져 있어 향후 양자컴퓨팅 분야 등 양자정보처리연구에 기여할 것”이라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 개방형 연구사업인 Joint Research Lab 연구, 한국연구재단의 중견연구자지원사업의 일환으로 수행되었다. 이번 연구결과는 물리학 분야 최고 권위지인 ‘Nature Physics’ (IF: 22.61, JCR 분야 상위 1.92%) 최신호에 게재됐다.

*용어설명

큐비트(Qubit) : 양자컴퓨터의 기본 정보단위로 기존 컴퓨터의 디지털 비트 (bit)에 해당

양자회로(Quantum Circuit) : 여러 큐비트들로 이루어진 양자 논리 회로.

* (논문명) Emergence of the geometric phase from quantum measurement back-action

– (제1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 조영욱 선임연구원

– (제1저자) 포항공과대학교 김요셉 박사과정

– (교신저자) 포항공과대학교 김윤호 교수