양자연산 내부 구조, CT처럼 들여다본다…KAIST 세계 최초 기술

• 다중 광학모드 16개 동시 분석 성공

KAIST 연구팀이 복잡한 다중 광학모드 양자연산의 내부 구조를 CT 촬영처럼 직접 복원할 수 있는 기술을 세계 최초로 구현했다. 적은 데이터로도 대규모 연산을 정밀 추적할 수 있어, 차세대 양자컴퓨팅·양자통신 확장에 핵심 전환점이 될 기술로 평가된다.

KAIST 물리학과 연구팀(라영식 교수)은 빛을 이용하는 광학 기반 양자컴퓨터 내부에서 다중 광학모드가 어떻게 얽혀 연산되는지를 빠르고 정확하게 파악할 수 있는 ‘양자연산 토모그래피’ 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

토모그래피는 의료용 CT처럼 보이지 않는 내부 구조를 다양한 실험 데이터로 재구성하는 기술이다. 그러나 기존 방식은 큐빗 또는 광학모드 수가 조금만 많아져도 필요한 연산량이 기하급수적으로 폭증해, 5개 이상의 광학모드 분석조차 사실상 불가능했다.

연구팀은 다양한 양자상태(빛 신호)를 입력한 후 결과 신호의 변화 양상을 정밀 측정하고, 이를 최대우도추정 통계 방법으로 해석해 내부에서 실제로 어떤 연산이 일어났는지를 역추적하는 방식을 제안했다. 이 접근법은 필요한 계산량을 크게 줄여, 세계 최초로 16개 광학모드가 얽혀 작동하는 대규모 양자연산 구조를 실험적으로 ]규명하는 데 성공했다.

라영식 교수는 이번 성과가 “양자컴퓨팅 필수 기반기술인 양자연산 토모그래피의 효율을 근본적으로 끌어올린 성과”라고 설명했다. 확보한 기술은 양자컴퓨팅·양자통신·양자센싱 등 다양한 양자기술의 신뢰성 확보와 확장 가능성 검증에 활용될 예정이다.

이번 연구에는 곽근희 석박사통합과정 학생이 제1 저자로 참여했으며, 노찬 박사후연구원, 윤영도 석박사통합과정 학생, 김명식 임페리얼 칼리지 런던 교수가 공동저자로 참여했다. 논문은 네이처 포토닉스 온라인판(11월 11일자)에 게재됐으며, 연구는 한국연구재단·IITP·미국 공군연구소의 지원을 받았다.

김지윤 기자/ hello@sciencewave.kr