지난달 10일, 우리 학교 물리학과 라영식 교수 연구팀은 약한 양자측정을 양자얽힘 검증에 도입해 손상된 양자얽힘을 되돌림 측정을 이용해서 원래대로 되돌리는 기술을 개발하는 것에 성공했다고 밝혔다. 물리학과 김현진 석박사통합과정 학생이 제1 저자로 참여하고 정지혁, 이경준 석박사통합과정 학생이 공동 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’의 온라인판에 지난달 4일 정식 출판되었다. 
 

양자얽힘을 왜 검증해야 하는가

양자얽힘은 양자 물리학의 독특한 특성으로 양자 암호학, 양자 순간이동, 양자 계산 등의 양자 기술의 중요한 기반이 된다. 이는 두 개의 양자 상태가 있을 때 하나의 상태가 측정되어 있을 때 다른 하나도 영향을 받는 상태로 예를 들면 광자의 편광이 얽혀 있는 벨 상태가 있다. 벨 상태에는 크게 4가지가 있는데 그 중 2^-0.5 |HH>+|VV> 상태는 한쪽 양자를 측정했을 때 H로 측정되면 다른 쪽도 무조건 H가 나오고, 한쪽이 V가 나온다면 다른 쪽도 V가 나오는 상태다. 하지만 만일 측정을 하게 된다면 각각의 양자가 측정 당시의 상태로 붕괴해서 얽힘은 파괴된다. 즉, 측정에 영향을 받지 않는 고전적인 상관관계와는 다르다. 그래서 만일 앞선 벨 상태를 측정하여 H상태라는 결론이 나오면 이 때 양자상태는 양쪽 모두 |H>상태로 붕괴하였기 때문에 이후에는 상관관계를 볼 수 없다. 이때 사용한 측정은 투영 측정으로, 양자 상태를 완벽하게 알아낼 수 있는 대신 양자 상태를 완전히 붕괴시키는 특징을 가지고 있다.

그래서 양자 얽힘이 실제로 어떠한 양자 상태에 존재하는 지 확인을 위해서는 보통 여러 쌍의 양자를 준비한 다음에 이 쌍들이 모두 똑같다고 가정하고 실험을 진행한다. 이 중 일부만을 투영 측정으로 측정하여 양자얽힘이 있는지 판단하고, 나머지 쌍은 양자 얽힘이 존재한다고 가정한 후 양자 얽힘을 활용한 다른 응용 실험을 할 수 있다. 그러나 실제로 양자얽힘이 있는지 검증된 상태를 이용하여 실험을 진행하는 것이 아니기 때문에 만약 실시간으로 양자 얽힘이 변화한다면 실험에 악영향을 끼칠 수 있는 여지가 존재한다. 연구팀은 실제로 검증 과정을 거친 양자상태를 이후 실험에 활용하기 위해 투영 측정 대신 약한 양자측정을 이용하여 양자 검증을 진행하였다.

손상된 양자얽힘을 되돌리는 방법

투영 측정을 사용하면 양자 상태가 붕괴하고, 약한 양자측정을 사용하면 일부분만 손상된다. 이 점을 이용하여 양자 상태를 붕괴시키지 않고 양자 상태의 정보를 얻어 양자 얽힘을 검증한 후 양자 상태를 원래대로 되돌리는 것도 가능하다. 이 연구는 약한 양자측정을 이용해 양자얽힘을 검증하고 다시 되돌리는 되돌림 측정을 사용하여 양자얽힘을 복구하는 이론을 세우고 실험으로 검증했다. 이것이 가능한 이유는 간단한 수학 예시로 설명할 수 있다. 어떤 양자측정에 대해 2X2 행렬이 있다고 가정하자. i번째 행, j번째 열의 원소는 i의 상태를 넣었을 때 j의 상태로 검증될 확률이라고 할 수 있다. 그러면 투영 측정이라는 것은 1번째 열, 1번째 행에 1, 나머지에 0이 있는 상태처럼 1을 넣을 때만 100% 확률로 1로 측정되고, 나머지 경우는 측정이 안 되는 것을 말한다. 이는 역행렬이 없는 행렬이기 때문에 다시 원래대로 되돌릴 수 없다. 하지만, 약한 양자측정은 1번째 열, 1번째 행에 0.8, 2번째 열, 2번째 행에 0.2, 그리고 나머지에 0이 있는 상태처럼 1을 넣으면 80%로 1로 측정되고, 2를 넣으면 20%로 2로 측정되며, 나머지 경우는 측정이 안 된다. 이러한 행렬의 경우 반드시 역행렬이 존재하기 때문에 모든 약한 측정의 경우 그것에 대응되는 되돌림 측정이 존재한다는 사실을 알 수 있다. 따라서 양자 상태를 원래대로 복구할 수 있다. 대신, 모든 양자상태가 원래대로 돌아올 수 있는 것은 아니다. 이 때 양자상태가 돌아올 수 있는 확률을 되돌림 확률이라고 부른다.

김 석박사통합과정 학생은 “양자얽힘을 약한 양자측정으로 검증하고 다시 되돌린다는 아이디어가 흥미롭다고 느껴져 연구하게 되었다,”고 연구를 시작한 계기를 말했다. 더해, “실험 자체로 다룰 광학기기가 많고, 생각하는 대로 작동을 하지 않아서 처음엔 데이터가 이론치와 다르게 나왔다. 하지만 실험을 이어 나가며 데이터가 개선되는 과정을 보면서 신기함을 느꼈다.”며, 이 연구는 비투영 측정인 약한 양자측정에 대한 이해도를 높인 연구였다고 밝혔다.