빛을 기반으로 한 양자컴퓨터는 빠르고 확장성이 높아 차세대 기술로 꼽히지만, 여러 빛 신호가 동시에 얽혀 작동하는 복잡한 연산 과정을 실험으로 정확히 분석하는 데 한계가 있었습니다.

KAIST 물리학과 라영식 교수팀이 빛을 이용해 연산하는 양자컴퓨터 내부의 복잡한 다중 광학모드 양자연산을 CT 촬영하듯 훤히 들여다볼 수 있는 토모그래피 기술을 세계 최초로 개발했습니다.

토모그래피는 CT처럼 보이지 않는 내부를 데이터를 이용해 복원하는 기술입니다.

양자컴퓨터도 내부에서 어떤 연산이 일어나는지 다시 그려내는 과정이 필요한데, 광학 모드가 많아질수록 토모그래피에 필요한 계산량이 폭발적으로 늘어나 기존 기술로는 5개 이상의 광학모드를 분석하기 어려웠습니다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 복잡한 양자 상태를 두 가지 지도로 나눠 살펴보는 새로운 방식을 도입했습니다.

하나는 빛이 얼마나 증폭되고 어떻게 변했는지를 보여주는 증폭 행렬이고, 다른 하나는 외부 환경 때문에 생긴 잡음과 손실을 보여주는 잡음 행렬입니다.

이 두 지도를 함께 활용하면 양자컴퓨터 내부에서 일어나는 실제 연산 과정을 CT처럼 선명하게 파악할 수 있어, 더 많은 모드를 분석하는 것이 가능해졌습니다.

연구팀은 여러 종류의 빛 신호를 입력해 그 변화를 정밀 측정한 뒤, 측정 데이터를 가장 정확한 방식으로 설명해주는 통계 기법을 이용해 실제 내부에서 어떤 양자연산이 일어났는지를 역으로 추적했습니다.

추적 결과 기존 방식으로는 5개 정도 광학 모드만 분석이 가능했지만, 16개의 광학 모드가 얽혀 있는 대규모 양자연산을 실험적으로 규명하는 데 성공했습니다.

이번 기술은 적은 데이터로도 대규모 양자연산을 분석할 수 있어, 향후 양자컴퓨팅·양자통신·양자센싱 기술의 신뢰성과 확장성을 크게 높이는 핵심 기술로 평가됩니다.

이번 연구 결과는 국제 학술지, 네이처 포토닉스 11월 11일 온라인판에 실렸습니다.

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