권영헌(Younghun Kwon) 한양대학교 응용물리학과 교수 : 양자정보분야에서 이론적 접근의 영향력

전공

이론물리 양자정보 양자컴퓨터

경력

1984 한양대 이학사

1986 University of Rochester(미국 로체스터대학) 이학석사

1987 University of Rochester(미국 로체스터대학) 이학박사

미국 University of Minnesota 연구원

양자정보분야에서 이론적 접근의 영향력

지난 수십 년 동안 양자물리의 내용들을 본질적으로 이해하기 위하여 많은 노력이 있었다. 그중 대표적인 것은 양자물리를 정보라는 관점으로 이해하는 것이었다. 이는 자연스럽게 양자정보라는 새로운 분야를 만들어 내었다. 그리고 양자정보라는 학문은 그 분야에서 얻어낸 결과들을 정보기술에 접목하게 하였다. 

 양자정보라는 새로운 학문 분야의 적용은 크게 세 분야로 구분된다. 첫 번째는 양자물리의 특성을 이용하는 통신 방법이다. 그 대표적인 분야로는 양자암호와 양자인터넷이 있다. 두 번째는 양자물리를 계산 분야에 적용하려는 시도이다. 양자 컴퓨터가 그 대표적인 예이다. 세 번째는 양자정보의 결과들을 계측(측정)에 적용하는 것이다. 이 분야는 양자물리의 특성을 이용하여 계측의 성능을 획기적으로 높이려는 것이다. 사람들은 이를 양자계측이라고 부른다.

 사실 세 분야는 외관상으로는 매우 다르게 보인다. 하지만 이 분야들은 공통적인 특징을 지닌다. 그것은 세 분야 모두 양자정보 분야에서의 이론적 발전에 모든 기반을 두고 있다는 점이다.

미시 세계에서만 나타나는 양자 현상들이 기술의 힌트가 될 수 있는 이유

양자얽힘의 개념은 양자물리에서만 등장하는 특성으로 위에서 언급한 여러 분야에 공통적으로 적용되고 있다. 양자얽힘을 처음으로 세상에 주목받게 한 사람은 아인슈타인이지만 그는 양자얽힘을 매우 부정적으로 이해한 것으로 유명하다. 두 입자 사이의 양자얽힘은 이 두 입자 사이에 고전적으로는 전혀 예상할 수 없는 매우 독특한 상관관계를 형성한다. 양자얽힘의 응용성은 매우 다양하다. 그 대표적인 것은 양자암호에서의 응용이다. 양자암호를 실제로 구현할 때 양자암호의 보안성은 양자얽힘과 연관된 양자 비국소성이란 특별한 현상을 통해 확인된다. 이뿐만 아니라 양자 인터넷을 구성케 하는 핵심 개념이기도 하다. 

 양자통신 분야에서만이 아니라 양자계측에서도 양자얽힘은 매우 중요한 역할을 한다. 양자얽힘현상을 이용하는 양자계측은 고전계측과는 다른 수준의 계측을 보여준다. 이로 인해 양자얽힘을 이용한 계측은 새로운 패러다임을 열 것으로 기대되고 있다. 그 대표적인 응용분야가 양자얽힘을 이용하는 레이더이다. 스텔스 전투기는 현존하는 레이더에는 거의 포착되지 않지만, 양자얽힘을 이용하는 레이더는 스텔스 전투기의 탐지를 가능하게 한다.

양자중첩 또한 양자물리에서 등장하는 새로운 개념이다. 중첩현상은 한 입자가 여러 상태에 존재할 수 있다고 말한다. 중첩현상을 이용하는 대표적인 분야는 양자컴퓨터이다. 중첩현상을 이용하는 양자컴퓨터는 고전 컴퓨터와는 비교도 할 수 없는 계산능력을 지니게 된다. 

 이제 위에서 언급한 내용들을 정리해 보자. 양자물리에서만 등장하는 새로운 현상들의 이해는 단순하게 이론적인 면에서만 그치지 않는다. 양자물리의 독특한 현상들을, 필요한 응용 분야에 적용함을 통해 새로운 시대, 새로운 패러다임이 활짝 열리고 있는 것이다.

양자 기술이 직면한 가장 큰 도전 과제

<제공. IBM 뉴스룸>

현재 양자기술이 직면한 가장 큰 화두는 산업계에서 사용할 수 있는 양자컴퓨터를 만드는 것이다. 여기서 ‘사용할 수 있는’이란 의미는 양자컴퓨터에서 등장하는 오류를 정정할 수 있는 양자컴퓨터를 구성할 수 있는가를 의미한다. 양자컴퓨터 분야에서 가장 앞선 것으로 평가받는 초전도 양자컴퓨터의 경우 아직 양자 오류정정을 구현하기에는 부족한 점이 많이 있다.

 본 연구실에는 이 문제를 해결하기 위해 두 가지 접근방법을 시도하고 있다. 하나는 하드웨어적인 접근이다. 이는 현재 사용되는 하드웨어들보다 최소한 한 자릿수 이상의 성능 향상을 제공하는 새로운 초전도 기반 하드웨어를 제안하는 것이다. 또 다른 하나는 소프트웨어적인 접근이다. 이는 양자 오류정정을 효율적으로 구현할 수 있는 양자 오류정정 코드(code)를 제안하는 것이다. 본 연구실에서 연구하고 있는 이러한 접근들은 최근 양자정보 분야에서 가장 유명한 학회중의 하나인 QIP(Quantum Information Processing)24 학회에서 발표되어 많은 주목을 받았다.

 그리고 양자암호 분야에서도 새로운 방식의 접근 방식을 본 연구실에서 제안하고 있다. 그것은 연속적 측정에 의한 양자키분배 방식이다. 이 방식은 오직 측정만으로 양자키분배가 가능하다는 특성을 지닌 방식으로 소규모 양자키분배에 적합한 구조를 지니고 있다. 

 현재 산업계에서는 발표된 양자컴퓨터들을 이용하여 산업계에 등장하는 중요한 문제들을 해결해 주길 기대하고 있다. 그 중요한 문제들에는 신약 개발 과정을 획기적으로 단축하는 문제, 새로운 형태의 배터리를 구성하는 문제, 인공지능의 계산단축 문제 등이 있다. 본 연구실에서도 이러한 문제들에 대한 연구를 진행하고 있다. 앞으로 이 분야들은 전 세계적으로 많은 수요들을 창출한 것으로 여겨지고 있다.