UNIST·난양공대, 잡음에도 끄떡없는 ‘오류 내성 양자 촉매’의 조건 규명

- 잡음 환경에서 작동하는 양자 촉매의 조건으로 ‘촉매 채널’ 방식 제시

- 촉매 채널의 한계와 성립 범위 규명 수학적 증명

연구진사진. (좌측부터) 이석형 UNIST 교수, 넬리 응 싱가포르 난양공과대학(NTU) 교수, 손정락 NTU 박사 (제1저자). (자료제공: UNIST)

외부 잡음에 따라 달라지는 양자 촉매 과정. (자료제공: UNIST)

양자 촉매는 얽힘이나 결맞음 같은 제한된 양자 자원을 효율적으로 쓸 수 있게 하는 특수한 양자 자원이다. 이 양자 촉매의 효과를 잡음이 있는 실제 환경에서도 유지할 수 있는 조건을 국제 공동연구진이 제시했다.

UNIST(총장 박종래)는 물리학과 이석형 교수와 싱가포르 난양공과대학교 연구팀이 공동연구로, 기존에 제시됐던 대부분의 양자 촉매 방식은 미세한 잡음에도 촉매가 점차 훼손돼 반복 사용이 어렵고, ‘촉매 채널’ 방식만이 실제 환경에서도 안정적인 촉매 효과를 유지할 수 있다는 것을 수학적으로 증명했다고 3월 4일 밝혔다. 

양자 촉매는 원래는 불가능한 양자 상태 변환을 가능하게 해주는 양자 자원이다. 화학 공정의 촉매처럼 자신은 소모되지 않으면서, 기존 양자 자원을 재사용하는 방식으로 효율성을 높여줄 것으로 여겨져 양자 ‘촉매’라고 불린다.

연구에 따르면, 기존 연구에서 이론적으로 가정된 양자 촉매는 연산에 쓰일 입력 상태를 준비할 때 발생하는 아주 작은 오차(잡음)만으로도 점차 망가진다. 촉매의 가장 큰 특징인 재사용성이 훼손되는 것이다.

문제를 피할 수 있는 해법으로 연구팀은 ‘촉매 채널(Catalytic Channel)’을 제시했다. 촉매 채널은 입력 상태가 무엇이든 관계없이, 항상 촉매가 정확히 원래 상태로 복원되도록 설계된 양자 연산 방식이다. 기존의 양자 촉매는 입력 상태가 완벽하게 준비된다는 이상적인 가정을 전제로 설계돼, 미세한 잡음에는 취약했다.

연구팀은 동시에 촉매 채널의 한계도 분명히 했다. 얽힘, 결맞음 등 대표적인 양자 자원의 경우에는 이 ‘촉매 채널’ 연산 방식을 적용하더라도 새로운 이득을 얻는 것이 원천적으로 불가능하다는 ‘불가능성 정리’를 내놨다. 반면, 특정한 열역학적 조건에서는 잡음이 있어도 촉매 채널의 효과를 안정적으로 유지할 수 있음을 보였다.

이석형 교수는 “이번 성과는 실험적으로 검증하기 어려운 이상적인 가정이 아니라, 잡음이 존재하는 현실적인 조건에서 양자 촉매가 어디까지 유지될 수 있는지를 밝힌 연구”라며 “양자 컴퓨터의 연산 효율을 높이기 위한 회로 최적화나 양자 열기관 설계에서, 잡음에 강한 구조를 어떻게 설계해야 하는지에 대한 가이드라인을 제시했다는 데 의미가 있다”고 설명했다. 

양자 열기관은 자동차 엔진이나 에어컨 같은 고전적인 열기관을 원자나 분자 단위의 미시 단위로 축소한 장치다.

이번 연구는 이 교수와 싱가포르 난양공대(NTU)의 넬리 응(Nelly H. Y. Ng) 교수가 교신저자, 난양공대 손정락 박사가 제1저자로 참여했다. 프랑스 엑스-마르세유 대학교, 일본 나고야 대학교 연구진도 함께했다.

한국연구재단과 정보통신기획평가원(IITP) 등의 지원을 받아 이뤄졌으며, 연구 결과는 물리학 분야 권위 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 지난달 6일 출판됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]