국내 연구진 "양자 컴퓨터 큐비트 상태 측정 시 기하학적 위상 발생한다"

[이데일리 이연호 기자] 양자역학의 원리를 이용한 미래 컴퓨터 기술인 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터와 달리 수많은 계산을 동시에 처리할 수 있는 슈퍼컴퓨터로 150년에 걸쳐 계산할 분량을 단 몇 분 만에 끝낼 수 있다. 전례 없는 속도로 데이터를 처리함으로써 에너지와 보건, 금융 등의 산업분야에 큰 혁신을 가져올 수 있을 것으로 전망된다.

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 기하학적 궤적(블로흐 스피어 상의 면 적분)에 해당하는 양만큼의 위상을 얻게 되며 이를 기하학적 위상이라고 한다. 그림=KIST.

한국과학기술연구원(KIST)는 양자정보연구단 조영욱 박사팀이 POSTECH 김윤호 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 양자 컴퓨터의 기본 단위인 큐비트의 상태를 측정할 때 기하학적 위상이 발생한다는 사실을 규명했다고 17일 밝혔다.

큐비트(Qubit)는 양자컴퓨터의 기본 정보 단위로 기존 컴퓨터의 디지털 비트(bit)에 해당한다.

양자컴퓨터는 양자역학의 기본원리에 의존해 동작하는데 이를 구현하기 위해서는 양자역학계가 갖는 특성에 대한 근본적인 이해와 양자정보연산의 기본 단위인 큐비트에 대한 정밀한 조작과 측정기술이 필요하다.

큐비트에 조작을 가하면 어떤 운동을 한 뒤 다시 기존의 출발했던 위치로 돌아왔을 때 그 과정을 기억하는 현상이 발생한다. 양자 상태와 과정을 위상의 방식으로 기억하게 되는 이 같은 현상을 ‘기하학적 위상’ 현상이라고 한다. 기하학적 위상은 자연계에서 보편적으로 나타나는 현상으로 재료공학, 광학, 양자정보 등 여러 분야에서 광범위하게 도입돼 활용되고 있다. 특히 기하학적 위상의 응용 범위가 양자컴퓨터 구현에 도움이 된다고 알려져 최근 관련 연구자들의 관심을 끌고 있다.

기하학적 위상은 일반적으로 양자 상태가 느리게 변화하는 단열 과정에서만 발생한다고 여겨졌으나 즉각적으로 상태가 변화하는 ‘양자측정’ 과정에서도 나타날 수 있음이 예견됐다. 하지만 그 메커니즘은 아직까지 명확하게 밝혀지지 않고 있었다. 이번 연구에서 KIST 연구진은 양자정보의 기본 단위인 큐비트의 양자측정 과정에서 발생하는 기하학적 위상의 발생 메커니즘을 실험적으로 규명해 주목을 끌고 있다.

양자역학의 원리에 따르면 측정은 반드시 반작용을 동반하며 이를 ‘측정반작용(Measurement back-action)’이라고 한다. 즉 양자측정에 의해 양자정보의 변화가 일어나게 된다. 연구진은 양자물리계 이해를 위한 중요한 두 개념인 ‘기하학적 위상’과 ‘측정반작용’이 서로 간 밀접한 관계를 가짐을 최초로 규명했다. 특히 큐비트 기반 양자회로를 활용해 이뤄진 이번 연구는 국내 연구진의 큐비트 제어 및 측정기술이 한걸음 더 나아갔다는 평가를 받고 있다.

양자회로(Quantum Circuit)는 여러 큐비트들로 이뤄진 양자 논리 회로다.

KIST 조영욱 박사는 “이번 연구 결과는 큐비트 양자상태 및 프로세스 검증에 직접적으로 활용될 전망”이라며 “또 기하학적 위상은 큐비트의 양자적 특성을 유지하는데 도움이 되는 것으로 잘 알려져 있어 향후 양자컴퓨팅 분야 등 양자정보처리연구에 기여할 것”이라고 말했다.

이 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 개방형 연구사업인 조인트 리서치 랩(Joint Research Lab) 연구, 한국연구재단의 중견연구자지원사업의 일환으로 수행됐다. 연구 결과는 물리학 분야 최고 권위지인 ‘네이처 피직스(Nature Physics_’최신호에 게재됐다.