도쿄대학교(University of Tokyo. 총장 Teruo Fujii), NTT(CEO Jun Sawada),  일본 최대의 종합 연구기관 리켄(RIKEN. 이사장 Hiroshi Matsumoto) 공동 연구팀이 대규모 내결함성 범용 광양자 컴퓨터를 구현하는 핵심 기술인 ‘광섬유 결합 양자 광원(압착 광원/squeezed light source)’을 개발했다.

양자 컴퓨터는 양자 중첩 상태 및 양자 얽힘 상태와 같은 양자역학 특유의 현상을 이용해 병렬 연산 처리가 가능해 세계 각국이 연구 개발을 추진하고 있다. 다양한 방법이 고려되는 가운데 광자를 이용한 광양자 컴퓨터는 여러 장점이 있다.

예를 들어 다른 방법에서 요구되는 저온 및 진공 장치가 불필요해 소형화가 가능하고, 시간 영역 다중 양자 얽힘 상태를 생성해 마이크로 집적화나 장비의 병렬화 없이 큐비트 수를 쉽게 늘릴 수 있다.

또 광선의 광대역 속성 덕분에 고속 연산 처리가 가능하다. 양자 오차 보정은 이론적으로 광자의 유무를 이용하는 이산 변수를 사용하기보다는 광자의 우기성(parity)을 이용하는 연속적인 광선 변수를 활용해 가능한 것으로 나타났다.

이 방법은 저손실 광섬유 및 고기능 광학 소자와 같은 광통신 기술과 호환성이 높아 대규모 내결함성 범용 광양자 컴퓨터 구축의 비약적 발전을 기대할 수 있다.

광양자 컴퓨터를 구현하는 가장 중요한 부품 가운데 하나는 압착 광선을 생성하는 양자 광원으로 광양자 컴퓨터에서 양자적 성질의 근원이 된다. 특히 이에는 광섬유 결합 양자 광원이 바람직하다.

압착 광선은 짝수의 광자와 압착된 양자 노이즈를 갖는 특수 상태의 광선이며 양자 얽힘을 생성하는 데 사용된다. 또 압착 광선은 광자 수의 우기성을 활용하므로 양자 오차 보정에서 매우 중요한 역할을 한다.

대규모 내결함성 범용 광양자 컴퓨터를 실현하려면 고도로 압착된 양자 노이즈와 높은 양자 수 부품에서 짝수를 유지하는 양자 수 우기성과 함께 섬유 결합 압착 광원이 필요하다. 예를 들어 대규모 양자 연산에 사용될 수 있는 시간 영역 다중 양자 얽힘(2차원 클러스터 상태)을 생성하려면 압착률이 65%를 넘어야 한다.

그러나 양질의 압착 광선을 생성하는 것이 어렵기 때문에 이런 소자는 아직 개발되지 않았다.

이 연구에서는 광통신 파장에서 작동하는 새로운 광섬유 결합 양자 광원을 개발했다. 이를 광섬유 부품과 결합해 광섬유 폐쇄형 시스템에서도 6테라헤르츠(THz)가 넘는 측대파 주파수로 양자 노이즈가 75% 이상 압착된 연속파의 압착 광선을 세계에서 처음으로 생성하는 데 성공했다.

이는 광양자 컴퓨터의 핵심 소자가 광선의 광대역 속성을 유지하면서 광섬유와 호환되는 형태로 구현됐음을 뜻한다. 이에 따라 광섬유 및 광통신 소자를 이용해 안정적이고 유지 보수가 필요 없는 광양자 컴퓨터를 개발할 수 있게 된다. 또 랙 크기의 대규모 광양자 컴퓨터 개발을 크게 진전시킨 것이다.

한편, 이 연구 결과는 물리학분야의 국제 저명 학술기관인 미국물리학협회(AIP, American Institute of Physics)의 어플라이드 피직스 레터(Applied Physics Letters)에 ‘저손실 준단일 모드 PPLN 도파관 및 모듈방식 광대역 고단계 압착기 조립에의 적용(Fabrication of low-loss quasi-single-mode PPLN waveguide and its application to a modularized broadband high-level squeezer-다운)’란 제목으로 지난 지난 10월 22일 게재됐다.

용어 해설

▷압착 광원(Squeezed light source): 비가환적인 물리량 쌍의 양자 파동(양자 노이즈) 중 하나가 압축됐을 때 생성되는 소자. 비선형 광학 현상을 효율적으로 유도하는 매개체를 통해 구현된다.

▷2차원 클러스터 상태(Two-dimensional (2D) cluster state): 어떤 양자 연산 패턴도 실현할 수 있는 대규모 양자 얽힘 상태. 2019년 도쿄대학교 후루사와 아키라 교수와 그의 동료들이 1만개가 넘는 광학 큐비트가 있는 2차원 광학 클러스터 상태를 구현했다[참고 문헌1 참조]

▷양자 얽힘 생성을 위한 시간 영역 다중화 기술(Time-domain-multiplexing technique for generation of quantum entanglement): 연속 양자 광원에서 방출되는 광선을 시간적으로 분리하고 분리된 양자파 패킷(펄스)을 광학 지연 간섭계로 간섭함으로써 제한된 수의 양자 광원으로부터 대규모 얽힌 상태를 생성하는 방법

▷측정 기반 양자 연산(Measurement-based quantum computation): 전 세계적으로 연구되고 있으며 게이트 기반 양자 컴퓨터와 대등한 범용 양자 연산을 수행할 방법. 개별 큐비트가 게이트 조작으로 얽히는 기존의 게이트 기반 양자 컴퓨팅과 달리 이 방법은 대규모 양자 얽힘을 미리 준비하는 것이다. 일부 큐비트를 관찰해 남아 있는 큐비트를 조작할 수 있다.