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<자료문의> 한양대학교 응용물리학과 권영헌 교수(031-400-5487)
양자세계의 또 다른 비밀이 밝혀지다 양자세계의 성질에 대한 고전적 확률의 명확한 의존성 규명

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 권영헌 교수(한양대학교 에리카캠퍼스) 연구팀이 양자세계의 또 다른 비밀을 발견했다고 밝혔다.

○ 눈에 보이는 거시세계와 달리 양자세계에서만 나타나는 현상들은 양자암호나 양자컴퓨터 등의 힌트가 될 수 있는데 그에 대한 이해를 도울 것으로 기대된다.

※ 양자세계 : 양자물리학에 의해 지배를 받는 세계. 예를 들면 미시세계처럼 양자역학적 현상이 일어나는 물리계

□ 두 사람에게 준비된 물리계의 상태를 구별하는 상황은 여러 장의 카드 중 한 장의 카드를 뽑아 뒤집어 놓고 두 사람이 협력하여 그 카드의 종류를 맞추는 놀이에 비유될 수 있다.

○ 거시세계에서는 두 사람이 한 장소에 모여 맞추든 또는 떨어진 장소에서 전화로 이야기하면서 맞추든 성공할 확률이 같다.

○ 하지만 양자세계에서는 한 장소에 모여 맞출 때의 성공확률이 더 높아지는 특별한 상황(얽힘없는 비국소성)이 발생할 수 있다.

○ 이러한 특별한 상황은 준비되는 물리계의 상태에만 의존하여 나타난다고 알려져 있었으나 연구팀은 반드시 그렇지만은 않다는 사실을 밝혀냈다.

□ 물리계를 어떤 고전적 확률로 준비하느냐에 따라 특별한 상황(얽힘없는 비국소성)이 나타날지 결정할 수 있다는 것이다.

○ 각 종류의 카드들을 어떤 비율로 섞느냐에 따라, 양자세계의 성질(얽힘없는 비국소성)이 달라진다는 것이다.

□ 고전적 선택이 양자정보적 성질에 영향을 끼칠 수 있음을 처음으로 보여준 것이다. 이는 양자상태를 이용하는 양자통신 등에 고전적 정보의 선택에 따라 정보전달의 효율성이나 보안성 등이 좌우될 수 있다는 실마리를 제공한다.

○ 기존에는 특별한 상황(얽힘없는 비국소성)을 제공하는 양자상태들을 다른 확률로 준비하는 연구기법이 없었지만, 연구팀은 특별한 상황(얽힘없는 비국소성)을 제공하는 새로운 양자상태들을 고안하였다.

□ 나아가 연구팀은 새로운 양자상태들을 임의의 확률로 준비하고 이를 분석하는 기법을 고안해냈다.

○ 특별한 상황(얽힘없는 비국소성)에 대한 고전적 확률의 의존성을 분석할 수 있도록 하는 새로운 양자상태들을 준비해낸 데 따른 것이다.

□ 예를 들어 새로운 양자상태들을 A, B, C의 세 가지 카드라고 할 때 B와 C 카드는 600장으로 고정되어 있다고 가정한다. 이때 A카드의 개수가 342장인지, 343장인지에 따라 특별한 상황(얽힘없는 비국소성)이 결정된다.

○ 전체카드에서 A카드의 미세한 비율의 차이(여기서는 단지 1장의 차이)로 인해 양자세계의 성질이 달라진다는 것이다.

□ 교육부와 한국연구재단이 추진하는 기본연구지원사업과 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 양자컴퓨팅기술개발사업의 지원으로 수행된 이 연구의 결과는 양자정보 분야 국제학술지 `엔피제이 퀀텀 인포메이션(npj Quantum Information)’에 5월 25일(온라인)게재되었다.

주요내용 설명

<작성 : 한양대학교 권영헌 교수>

논문명	Quantum nonlocality without entanglement: explicit dependence on prior probabilities of nonorthogonal mirror-symmetric states
저널명	npj Quantum Information
키워드	Quantum nonlocality without entanglement(얽힘없는 양자비국소성)
저 자	권영헌 교수(교신저자/한양대학교), 하동훈 박사(제1저자/경희대학교)

1. 연구의 필요성

○ 양자물리에서는 일상생활에서 예측하기 어려운 신비한 현상들이 보고되고 있다. 1990년대 이러한 문제들에 대한 이해를 위하여 물리학자 페레스는 양자세계에 대한 유명한 질문을 던졌다.

○ 그 질문은 “얽힘이 없는 특정 양자상태들에 대하여 두 사람이 떨어져 있지만 모든 고전적 통신수단을 동원하여 그 양자상태가 무엇인지를 알아맞추는 경우와 그 양자상태가 무엇인지 두 사람이 한 자리에서 알아맞추는 경우가 동일할 것인가?”에 대한 것이었다.

○ 후에 이 문제에 대한 이해가 깊어지면서, 이 두 경우가 일치하지 않는 경우를 ‘얽힘 없는 비국소성’이라 부르게 되었다.

○ 이 질문이 특별한 이유는 맞추는 대상이 양자상태들이 아니라면 두 경우 모두 동일한 확률로 정답을 맞출 수 있기 때문이다. 그 후에 주목할 만한 연구들을 통하여 특정 양자상태들에 대하여는 두 사람이 떨어져 있지만 모든 고전적 통신수단을 동원하여 알아맞추는 경우와 그 두 사람이 한 자리에서 알아맞추는 경우가 동일하지 않다는 것이 알려졌다.

○ 기존에는 특별한 양자상태들이 모두 동일한 확률로 준비되어 있을 경우로 국한되어 연구되었다.

2. 연구내용

○ 본 연구 이전에 특별한 양자상태들이 모두 동일한 확률로 준비되어있을 경우에만 연구된 이유는 동일하지 않는 확률로 준비된 특정양자상태들에 대한 연구기법이 전혀 제시되지 않았기 때문이었다.

○ 이 본질적 문제를 해결하기 위하여 본 연구팀은 새로운 연구방법을 도입하였다. 주어진 문제를 해결하기에 적합한 새로운 양자상태들을 고안하였다. 그들은 지금까지 어느 연구팀도 고려하지 않았던 세가지 종류의 양자상태이다. 먼저 본 연구팀은 이 양자상태에 대한 모든 분석을 제공하였다.

○ 그리고 문제분석을 간략하게 하기 위해 세 양자상태중 두 양자상태의 확률은 동일하게 한 뒤 나머지 하나의 양자상태에 대한 확률을 변경시키는 방식으로 본 연구를 진행하였다.

○ 그 결과 준비된 양자상태의 확률에 따라 ‘얽힘없는 비국소성’이 일어날 수도 또는 일어나지 않을 수도 있음을 보일 수 있었다. 이런 사실이 중요한 이유는 ‘얽힘없는 비국소성’은 양자세계에서만 등장하는 특별한 현상인데 그 특별한 현상이 고전적 확률에 좌우됨을 보였기 때문이다.

○ 이는‘얽힘없는 비국소성’이라는 양자세계의 성질이 고전적 선택에 따라 영향을 받는다는 것이다

○ 이 사실에 주목해야만 하는 이유는 특별한 양자상태들이 준비되더라도 그 양자상태들에 대한 고전적 확률에 따라, 양자세계에서만 일어나는 현상인 얽힘없는 비국소성이 결정됨을 의미하기 때문이다.

3. 기대효과

○ 지금까지 양자세계에서 일어나는 놀라운 현상들은 특별한 양자상태들에 의해 제공하는 것으로 알려져 있었다. 하지만 본 연구를 통해 양자상태를 준비하는 방식(즉 양자상태들에 대한 고전적 확률)에 따라서도 양자세계의 놀라운 성질(얽힘없는 비국소성)이 결정됨이 밝혀졌다.

○ 그리고 만약 그 고전적 확률이 미세하게 변하면 양자세계의 놀라운 성질(얽힘없는 비국소성)도 달라질 수 있음이 밝혀졌다.

○ 카드맞추기로 설명하면, 어떻게 미세하게 카드를 섞느냐(또는 준비하는 가)에 따라, 양자세계의 성질(얽힘없는 비국소성)이 달라진다는 것이다.

○ 이러한 현상이 일어나는 것을 본 연구팀이 세계 최초로 증명하였다

○ 현재 도청이 불가능한 차세대 통신수단으로 양자통신이 주목받고 있다. 그 양자통신은 여러 방식으로 구현될 수 있는 데 그 중 양자상태에 고전적 정보를 담아 전달하는 방식들이 있다. 본 연구결과는 이러한 양자통신문제에 활용될 것을 기대할 수 있다.

○ 더욱이 다자간 양자통신을 수행하는 경우 본 연구결과의 개념들이 활용될 것을 기대할 수 있다.

그림 설명

(그림1) 특정 고전적 확률을 지닌 특수한 양자상태 준비과정

카드맞추기를 이용하여 얽힘없는 비국소성을 설명해보자. 먼저 세 개의 특수한 양자상태 중 하나를 준비하는 과정이 필요하다. 이는 세 종류로 이루어진 여러 장의 카드를 무작위로 섞은 후 그것 중 하나를 선택하는 행위와 동등하다. 세 종류의 카드 중 두 종류의 카드의 수가 고정되어 있다면 나머지 한 종류의 카드의 수는 각각의 양자상태가 준비될 고전적 확률을 결정한다.

그림설명 및 그림제공 : 경희대학교 응용과학대학 응용수학과 하동훈 박사

(그림 2) 얽힘없는 비국소성에서 고전적 확률의 의존성

두 개의 큐비트를 두 사람이 하나씩 나누어 갖는 과정은 선택된 카드를 반쪽씩 나누어 갖는 행위와 같다. 카드맞추기는 두 사람이 한 자리에 모여 수행되거나  모든 고전적 통신수단(예를 들면 전화 같은)이 허용된 두 장소로 떨어져 수행된다. 전자가 후자보다 카드맞추기에 유리할 때 얽힘없는 비국소성이 발생한다. 이 현상은 양자상태들에 대한 고전적 확률들에 의존한다. 즉 세번째 카드의 수에 따라 그 발생여부가 결정된다.

그림설명 및 그림제공 : 경희대학교 응용과학대학 응용수학과 하동훈 박사

연구 이야기

<작성 : 한양대학교 권영헌 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

지난 10년 이상 본 연구팀은 양자상태 구별에 대한 연구를 진행해왔다. 2013년 본 연구팀(하동훈 박사, 권영헌 교수)은 학계에서 30년간 미해결 문제였던 세양자 상태(큐빗 기반) 구별문제를 해결할 수 있었다. 그 후 양자세계의 비밀을 이해하기위한 여러 연구들을 진행하여 왔다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

이 연구는 하동훈 박사가 박사과정이었던 시기부터 연구되어졌다. 이를 위해 하동훈 박사는 수년간 양자상태 구별 관련 연구를 진행하였다. 이 문제를 해결하는 데는 하동훈 박사의 많은 수고가 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

본 연구 이전에 특별한 양자상태들이 모두 동일한 확률로 준비되어있을 경우에만 연구되었다. 그 이유는 동일하지 않는 확률로 준비된 특정양자상태들에 대한 연구기법은 전혀 알려지지 않았기 때문이다. 본 연구는 이를 위해 문제해결을 위한 새로운 연구방법을 도입하였다. 먼저 본 연구팀은 주어진 문제를 해결하기에 적합한 새로운 양자상태들을 고안하였다. 그리고 본 연구팀은 이 양자상태에 대한 모든 분석을 제공하였다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

양자상태를 이용한 다자간 암호에 활용될 것을 기대한다. 실용화를 위해 본 현상을 쉽게 응용할 수 있는 또 다른 특정 양자 상태를 찾는 일이 필요하다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

먼저 본 연구팀이 제안한 특정 양자상태를 더욱 일반화할 경우에도 얽힘 없는 비국소성현상이 등장하는 가에 대한 연구를 진행할 계획이다. 그리고 양자세계에서만 등장하는 특별한 현상들과 고전적 확률과의 상관성을 보다 심도 있게 연구할 계획이다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

본 연구결과의 일부는 하동훈 박사와 함께 참석한 국제학회기간 중에 얻어진 것이다. 정말 많은 집중을 요구할 때 국제학회라는 자유스런 분위기 안에서 하동훈 박사와 심도 있는 논의를 할 수 있었고 그 안에서 하동훈 박사는 필요한 계산을 제시할 수 있었다.

연구자 소개

<권영헌, 교신저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 한양대학교 응용물리학과

○ 전 화 : 031-400-5487

2. 학력

○ 1984 ~ 1987  미국로체스터대학교 이론물리학 박사

3. 경력사항

○ 1987 ~ 1988  미국로체스터대학교 박사후연구원

○ 1989 ~ 1991  미국미네소타대학교 Research Associate

○ 1995 ~ 현재	한양대학교 응용물리학과 교수

4. 전문분야 정보

○ 양자정보, 양자컴퓨터, 인공지능 (양자 및 새로운 인공지능분야 연구)

5. 연구지원 정보

○ 2018 ~ 현재	교육부‧한국연구재단 기초연구사업(기본연구)

<하동훈, 제1저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 경희대학교 응용수학과

○ 전 화 : 031-201-5480

2. 학력

○ 2005 ~ 2011  한양대학교 응용물리학 & 응용수학 학사

○ 2012 ~ 2020  한양대학교 응용물리학 박사

3. 경력사항

○ 2020 ~ 현재  경희대학교 응용수학과 박사후연구원

4. 전문분야 정보

○ 양자정보