국내 연구진이 양자컴퓨터 구현을 한 발짝 앞당길 수 있는 큐비트 메커니즘을 규명해냈다. 양자컴퓨터는 슈퍼컴퓨터가 150년 걸리는 계산을 단 몇 분 만에 끝낼 수 있다.

한국과학기술연구원(KIST) 양자정보연구단 조영욱 박사팀은 포스텍 김윤호 교수 연구팀과 공동연구로 양자컴퓨터 기본 단위인 큐비트(Qubit) 상태를 측정할 때, 기하학적 위상이 발생한다는 사실을 규명했다고 17일 밝혔다. 큐비트는 양자컴퓨터 기본 정보단위로 기존 컴퓨터에서 비트(bit)에 해당한다.

양자컴퓨터는 양자역학 기본원리에 의존해 동작하는데, 이를 구현하려면 양자역학계가 가지는 특성에 대한 근본적인 이해와 양자정보연산에서 기본 단위인  큐비트에 대한 정밀한 조작과 측정기술이 필요하다.

큐비트를 조작하면 어떤 운동을 한 뒤 다시 처음 위치로 돌아왔을 때, 과정을 기억하는 현상이 발생한다. 이를 양자 상태와 과정을 위상 방식으로 기억하는 ‘기하학적 위상’ 현상이라고 한다. 기하학적 위상은 자연계에서 보편적으로 나타나는 현상으로 재료공학과 광학, 양자정보 같은 분야에서 광범위하게 도입돼 활용하고 있다. 특히 기하학적 위상 응용범위가 양자컴퓨터 구현에 도움이 된다고 알려져 최근 관련 연구가 높아지고 있다.

기하학적 위상은 일반적으로 양자상태가 느리게 변하는 단열과정에서만 발생하고, 양자측정 과정에서도 나타날 수 있다고 예견했다. 하지만 메커니즘이 명확하게 밝혀지지 않아 확인이 어려웠다.

이런 상황에서 최근 KIST 연구진이 양자정보 기본 단위인 큐비트 양자측정 과정에서 기하학적 위상 발생 메커니즘을 실험적으로 규명했다.

양자역학 원리에 따르면 측정은 반드시 반작용을 동반하며 이를 ‘측정반작용’이라고 한다. 양자측정으로 양자정보에 변화가 일어난다. 연구진은 양자물리계 이해를 위한 중요한 두 개념인 기하학적 위상과 측정반작용이 서로 간 밀접한 관계를 가짐을 최초로 규명했다. 특히 이번 연구는 큐비트 기반 양자회로를 활용해, 국내 연구진이 큐비트 제어와 측정기술에서 한걸음 더 앞서나갔다는 평가를 받고 있다.

KIST 조영욱 박사는 “이번 연구결과는 큐비트 양자상태와 프로세스 검증에 직접적으로 활용할 전망”이라며, “기하학적 위상은  앞으로 양자정보처리연구에 기여할 것”이라고 밝혔다.

이 연구결과는 물리학 분야 최고 권위지인 네이처 피직스 최신호에 게재됐다.

[테크M = 박응서 기자(gopoong@techm.kr)]