이수준 경희대학교 이과대학 수학과 교수. (제공: 경희대학교)
이수준 경희대학교 이과대학 수학과 교수. (제공: 경희대학교)

“향후 분산 양자 컴퓨팅 SWAP 게이트 구현에 활용”

[천지일보=김빛이나 기자] 경희대학교 이과대학 수학과 이수준 교수 연구팀이 두 사용자의 양자정보를 교환하는 ‘상태교환(state exchange)’이라는 새로운 프로토콜과 양자정보통신에서 부정보를 이용한 양자상태 교환 기술을 개발했다고 31일 밝혔다.

이 기술은 양자정보통신에서 필수적이지만 비용이 많이 발생하는 얽힘을 가능한 한 줄이고 ‘부정보(side information)’를 활용해 정보를 교환하는 방식이다.

양자정보통신은 정보사회의 패러다임을 바꿀 신기술로 기대를 받고 있다. 양자정보통신을 활용한 양자컴퓨터는 한 개의 처리 장치에서 여러 계산을 동시에 처리할 수 있어 정보처리량과 속도가 지금까지의 컴퓨터에 비해 월등히 우수하다. 하지만 정보 교환을 위해 발생하는 ‘얽힘(entanglement)’에 큰 비용이 드는 점이 단점으로 지적돼 왔다.

정보통신에서 두 사용자 A와 B가 정보를 서로 교환하기 위해서는 한 채널을 두 번 이용하는 것이 일반적이다. A가 B로 정보를 전달하고 B가 A로 정보를 전달하거나 이를 반대로 이용하는 방식이다. 양자정보통신에서도 주로 양자채널을 통해 같은 방식으로 정보를 교환한다. 그러므로 교환하는 정보의 양이 많으면 더 큰 크기의 양자채널이 필요하다는 것이 일반적인 생각이다.

보통 양자정보를 전달하기 위해서는 양자전송(quantum teleportation)이라는 양자통신 프로토콜을 사용하는 것이 가장 쉬운 방법이며, 이 양자전송을 수행하기 위한 두 사용자간의 양자채널은 얽힘을 통해 만들어진다.

하지만 두 사용자간의 얽힘을 만들기는 쉽지도 않고 비용이 발생하기 때문에 연구팀들은 얽힘의 사용 횟수와 크기를 줄이는 데 집중해왔고 부정보에서 그 해법을 찾았다.

사용자들이 직접 전달하기 위한 정보는 아니지만, 정보통신을 위해 각 사용자가 부가적으로 사용하는 정보를 부정보라고 한다.

경희대 이수준 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 ‘양자상태 교환’에서 부정보를 활용해 얽힘의 크기와 비용을 줄이거나, 심지어는 얽힘을 통하지 않고 정보를 교환할 수 있음을 밝혀냈다.

이와 함께 이 교수 연구팀은 이 부정보를 활용한 방식으로 얽힘이 없이 양자정보를 서로 교환할 수 있을 뿐더러 앞으로 사용할 수 있는 얽힘을 두 사용자 사이에 발생시킬 수 있다는 사실도 발견했다.

이수준 경희대학교 교수와 함께 연구를 진행한 경희대 수학과 이용해 박사과정 학생. (제공: 경희대학교)
이수준 경희대학교 교수와 함께 연구를 진행한 경희대 수학과 이용해 박사과정 학생. (제공: 경희대학교)

◆“양자컴퓨터 분야에 활용 가능”

이 기술은 향후 양자정보통신뿐만 아니라 양자컴퓨터 분야에서도 활용될 수 있는데, 특히 분산 양자 컴퓨팅을 구현하는 데에 중요하게 사용될 SWAP 게이트 구현에 큰 역할을 할 것으로 기대되고 있다.

좁은 의미의 ‘양자상태 교환’은 양자컴퓨팅 회로에서 SWAP 게이트로 표현될 수 있는데, 이 연구가 SWAP 게이트를 구현하는 데에 효율적인 방법을 제공하고 있어 이 방법을 통해 분산 양자 컴퓨팅 구현에 활용될 것으로 기대한다.

이번 연구는 ‘부정보를 이용한 상태교환(State Exchange with Quantum Side Information)’이라는 논문으로 관련 분야의 권위 있는 국제학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’ 1월호에 게재됐다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 중견연구과제와 한-EU(ERC) 연구자 교류협력사업의 지원으로 경희대 수학과 이용해 박사과정 학생과 이수준 교수의 주도로 진행됐다. 영국 노팅엄 대학, 미국 MIT, 일본 동경대 연구진들이 이 교수팀과 함께 공동 연구를 수행했다.

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