[뉴스웍스=문병도 기자] 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터와 달리 수많은 계산을 동시에 처리할 수 있어 슈퍼컴퓨터로 150년에 걸쳐 계산할 분량을 단 몇 분 만에 끝낼 수 있다.

조영욱 한국과학기술연구원(KIST) 양자정보연구단 박사팀은 김윤호 포항공대(POSTECH) 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 양자 컴퓨터의 기본 단위인 큐비트의 상태를 측정할 때, 기하학적 위상이 발생한다는 사실을 규명했다.

큐비트는 양자컴퓨터의 기본 정보단위로 기존 컴퓨터의 디지털 비트에 해당한다.

양자컴퓨터는 양자역학의 기본원리에 의존하여 동작하는데, 이를 구현하기 위해서는 양자역학계가 가지는 특성에 대한 근본적인 이해와 양자정보연산의 기본 단위인 큐비트에 대한 정밀한 조작과 측정기술이 필요하다.

큐비트에 조작을 가하면 어떤 운동을 한 뒤 다시 기존의 출발했던 위치로 돌아왔을 때, 그 과정을 기억하는 현상이 발생하는데, 이를 양자 상태와 과정을 위상의 방식으로 기억하게 되는 ‘기하학적 위상’ 현상이라고 한다.

기하학적 위상은 자연계에서 보편적으로 나타나는 현상으로 재료공학, 광학, 양자정보 등 여러 분야에서 광범위하게 도입되어 활용되고 있다.

기하학적 위상의 응용범위가 양자컴퓨터 구현에 도움이 된다고 알려져 최근 관련 연구자들의 관심을 끌고 있다.

기하학적 위상은 일반적으로 양자상태가 느리게 변화하는 단열과정에서만 발생한다고 여겨졌으나, 즉각적으로 상태가 변화하는 ‘양자측정’ 과정에서도 나타날 수 있음이 예견되었다.

그 메커니즘은 아직까지 명확하지 밝혀지지 않고 있었는데, 이번 연구에서 KIST 연구진은 양자정보의 기본 단위인 큐비트의 양자측정 과정에서 발생하는 기하학적 위상의 발생 메커니즘을 실험적으로 규명하여 주목을 끌고 있다.

양자역학의 원리에 의하면 측정은 반드시 반작용을 동반하며 이를 ‘측정반작용’ 이라고 한다.

양자측정에 의해 양자정보의 변화가 일어나게 된다.

연구진은 양자물리계 이해를 위한 중요한 두 개념인 ‘기하학적 위상’과 ‘측정반작용’이 서로 간 밀접한 관계를 가짐을 최초로 규명하였다.

이번 연구는 큐비트 기반 양자회로를 활용해 이루어졌으며, 국내 연구진의 큐비트 제어 및 측정기술이 한걸음 더 나아갔다는 평가를 받고 있다.

KIST 조영욱 박사는 “이번 연구결과는 큐비트 양자상태 및 프로세스 검증에 직접적으로 활용될 전망”이라고 말하여, “또한, 기하학적 위상은 큐비트의 양자적 특성을 유지하는데 도움이 되는 것으로 잘 알려져 있어 향후 양자컴퓨팅 분야 등 양자정보처리연구에 기여할 것”이라고 밝혔다.

과학기술정보통신부지원으로 KIST 개방형 연구사업인 조인트 리서치 랩 연구, 한국연구재단의 중견연구자지원사업의 일환으로 수행된 이번 연구결과는 물리학 분야 최고 권위지인 ‘네이처 피직스’ 최신호에 게재됐다.