한양대학교 에리카캠퍼스 권영헌 교수 연구팀이 양자세계의 또 다른 비밀을 발견했다고 밝혔다. 양자세계에서만 나타나는 현상들은 눈에 보이는 거시세계와 달리 양자암호나 양자컴퓨터 등의 힌트가 될 수 있는데 그에 대한 이해를 도울 것으로 기대된다.

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 상황인 '얽힘없는 비국소성'이 발생할 수 있다.

이러한 특별한 상황은 준비되는 물리계의 상태에만 의존하여 나타난다고 알려졌으나 연구팀은 반드시 그렇지만은 않다는 사실을 밝혀냈다. 물리계를 어떤 고전적 확률로 준비하느냐에 따라 얽힘없는 비국소성이 나타날지 결정할 수 있으며, 각 종류의 카드들을 어떤 비율로 섞느냐에 따라, 양자세계의 성질(얽힘없는 비국소성)이 달라진다는 것이다.

해당 연구는 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 '얽힘없는 비국소성'을 제공하는 새로운 양자상태들을 고안하였다.

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

권 교수는 이번 연구에 대해 "현재 도청이 불가능한 차세대 통신수단으로 양자통신이 주목받고 있다. 그 양자통신은 여러 방식으로 구현될 수 있는데 그 중 양자상태에 고전적 정보를 담아 전달하는 방식들이 있다. 본 연구결과는 이러한 양자통신문제에 활용될 것을 기대할 수 있다."며, "더욱이 다자간 양자통신을 수행하는 경우 본 연구결과의 개념들이 활용될 것을 기대할 수 있다"라고 밝혔다.

또한, "먼저 본 연구팀이 제안한 특정 양자상태를 더욱 일반화할 경우에도 얽힘 없는 비국소성현상이 등장하는가에 대한 연구를 진행할 계획이다. 그리고 양자세계에서만 등장하는 특별한 현상들과 고전적 확률과의 상관성을 보다 심도 있게 연구할 계획이다."이라며 앞으로의 포부를 전했다.

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 판에 게재되었다.