20여 년 전에 제안된 Quantum Entanglement 이론이 실험을 통해 확인됐습니다. 지속적인 Active Control과 Measurement 없이 떨어진 Qubit 사이에 안정적인 양자 연결을 만들 수 있는 새로운 접근법입니다.
Institute of Science and Technology Austria(ISTA)와 독일 Technical University of Munich 연구진은 상관된 빛 입자로 구성된 “Quantum Bath”를 이용해 완전 자율적인 Distributed Quantum Entanglement를 구현했습니다.
이 실험은 미래 Modular Quantum Computer에 중요한 Proof-of-Concept를 제공합니다.
연구는 Physical Review X에 “Distributing stationary qubit entanglement through a non-local squeezed reservoir”라는 제목으로 게재됐습니다.
Quantum Entanglement가 중요한 이유
Quantum Entanglement는 양자 입자의 특성이 고전 물리학으로 설명하기 어려운 방식으로 서로 연관되는 현상입니다.
Albert Einstein은 이를 “spooky action at a distance”라고 표현한 것으로 유명합니다.
Qubit은 Quantum Computer의 기본 정보 단위이며 0 또는 1만 표현하는 기존 Bit와 달리 Quantum Superposition 상태를 가질 수 있습니다.
Entanglement는 Quantum Computing과 Quantum Communication의 핵심 자원입니다.
기존 방식은 Active Control이 필요
기존 Distributed Entanglement 방식은 일반적으로 반복적인 제어와 측정을 요구합니다.
하나의 Photon을 두 Qubit 사이에서 능동적으로 제어하거나 각각의 Qubit이 Photon을 방출한 뒤 측정을 통해 연결하는 방식 등이 사용됩니다.
연구진은 이를 자율적으로 유지하는 시스템을 개발하고자 했습니다.
Quantum Bath로 Qubit 연결
새로운 방식은 상관된 Microwave Photon으로 구성된 Quantum Bath를 사용합니다.
두 Qubit을 저에너지 Microwave Radiation에 노출하면 설계된 환경이 Qubit을 Entangled State로 유도하고 지속적으로 안정화합니다.
따라서 지속적인 Active Control이나 Measurement가 필요하지 않습니다.
실험 거리는 50cm
Proof-of-Concept 실험에서는 Qubit이 약 50cm, 즉 20인치의 케이블을 통해 분리됐습니다.
하지만 기본 원리는 이 거리에 제한되지 않습니다.
하나의 Correlated Photon Source에서 여러 Entangled Pair를 생성할 가능성도 있습니다.
안정적인 Entanglement
Quantum Environment는 일시적으로 Entanglement를 만드는 데 그치지 않고 Qubit을 원하는 상태로 지속적으로 되돌립니다.
이를 통해 Entanglement를 이후 Quantum Processing에 사용할 수 있는 자원으로 유지할 수 있습니다.
초단 Microwave Pulse로 검증
연구진은 10억분의 1초 수준의 Microwave Pulse를 이용해 Qubit 상태를 측정했습니다.
Quantum Measurement는 Superposition을 특정 상태로 Collapse시킵니다.
이는 Quantum Computing의 핵심 문제인 Decoherence와 연결됩니다.
Hybrid Quantum System 가능성
서로 다른 주파수의 Photon을 활용하면 다른 Energy Scale에서 동작하는 Qubit 사이의 Entanglement도 안정화할 가능성이 있습니다.
이는 서로 다른 Quantum Hardware를 결합하는 Hybrid Quantum System에 활용될 수 있습니다.
현재 효율은 약 10%
현재 방식은 Quantum Bath가 가진 Entanglement 가운데 약 10%를 전달합니다.
따라서 기존 Active Control 방식이 아직 더 효율적입니다.
그러나 연구진은 이 방식을 확장 가능한 Framework로 보고 있습니다.
대규모 Quantum Network로 확장
미래 Quantum Computer는 하나의 거대한 Processor 대신 여러 Quantum Module을 연결하는 구조가 될 수 있습니다.
이 경우 Distributed Entanglement가 모듈 사이 Quantum Information을 처리하는 핵심 기술이 됩니다.
이번 기술은 향후 여러 원거리 Qubit을 동기화해 대규모 Quantum Processor와 Quantum Network를 구축하는 기반이 될 가능성이 있습니다.
