양자 얽힘을 통한 원격 입자 측정

양자 물리학은 우리의 직관에 끊임없이 도전하고 있습니다. 제네바 대학교(UNIGE) 연구진은 멀리 떨어진 입자들을 하나로 모으지 않고도 공동 측정을 수행할 수 있음을 보여주었습니다.

이 획기적인 발견은 마치 보이지 않는 실로 연결된 것처럼 멀리 떨어진 입자들을 연결하는 현상인 양자 얽힘에 기반합니다. 이 발견은 측정된 정보만 접근할 수 있는 양자 통신 및 컴퓨팅 분야에 흥미로운 가능성을 열어줍니다. 연구팀은 또한 다양한 유형의 측정과 각 측정에 필요한 얽힘 입자의 수를 분류한 "목록"을 작성했습니다. 이 연구는 Physical Review X 에 게재되었습니다 .

양자 물리학은 고전 물리학의 법칙에서 벗어나 원자와 입자의 거동을 설명하는 문을 열었습니다. 자연의 가장 기본적인 구성 요소를 탐구하는 이 과학은 특히 원자와 입자의 개별적 및 집단적 특성을 측정하는 능력에 의존합니다.

하지만 이러한 측정은 매우 까다롭기로 악명 높습니다. 사용되는 장비 자체가 양자 법칙의 지배를 받으며, 입자와의 상호작용은 관측하고자 하는 바로 그 특성을 변화시킬 수 있기 때문입니다.

"양자 측정 분야는 지금까지 거의 주목받지 못했기 때문에 아직 제대로 이해되지 않았습니다. 지금까지 연구는 주로 양자 시스템 자체의 상태에 집중되어 왔는데, 이러한 상태는 얽힘이나 중첩과 같은 특성을 가지고 있어 양자 암호학이나 양자 컴퓨팅과 같은 분야에 더 직접적으로 적용될 수 있습니다."라고 UNIGE 이과대학 응용물리학과 물리학과의 선임 연구원 겸 조교인 알레한드로 포자스 케르스텐스는 설명합니다.

보이지 않는 실로 연결된 입자들

이러한 측정은 정보를 빛 입자(광자) 등에 인코딩하는 양자 통신과 같은 미래 기술 개발에 필수적입니다. 이 정보에 접근하려면 먼저 입자를 측정해야 합니다. 핵심 질문은 각각 정보의 일부를 담고 있는 두 개 이상의 개별 입자를 물리적으로 결합하지 않고도 공동 측정을 수행할 수 있는지 여부입니다.

새로운 연구에서 제프 파우웰스, 알레한드로 포사스 케르스티엔스, 플라비오 델 산토, 니콜라스 기신으로 구성된 UNIGE 물리학과의 연구팀은 측정 장치가 얽힌 입자를 공유하는 한, 개별 입자 시스템에서 간단하면서도 근본적인 특정 측정을 수행할 수 있음을 보여주었습니다. 양자 물리학의 초석인 얽힘은 두 개 이상의 입자를 연결하여 한 입자의 상태가 다른 입자의 상태를 즉시 결정합니다. 한 입자를 측정하면 두 입자 사이의 거리에 관계없이 다른 입자의 해당 특성이 즉시 드러납니다.

"하지만 여기에는 함정이 있습니다. 측정의 복잡성에 따라 일부 측정은 제대로 수행되기 위해 더 많거나 적은 수의 얽힘 입자를 필요로 합니다."라고 알레한드로 포사스 케르스티엔스는 설명합니다. 이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 다양한 유형의 측정과 이를 수행하는 데 필요한 얽힘 자원을 체계적으로 정리한 일종의 카탈로그와 같은 분류 시스템을 개발했습니다.

유망한 응용 프로그램

이러한 결과는 양자 시스템의 측정에 대한 보다 체계적인 이해를 향한 한 걸음을 내딛는 것을 의미합니다. 이 결과는 양자 통신뿐만 아니라 양자 컴퓨팅에도 적용될 수 있습니다.

예를 들어, 기존 컴퓨터 시뮬레이션에서는 계산을 여러 대의 컴퓨터로 나누어 결과를 통합합니다. 양자 컴퓨터에도 유사한 접근 방식이 고려되고 있지만, 여기서는 결과를 판독하기 위해 여러 대의 컴퓨터에서 측정을 수행해야 합니다.

"우리의 공동 원격 측정 프로토콜 덕분에 중앙 집중화의 필요성을 없앨 수 있을 것입니다. 각 양자 컴퓨터가 각자의 부분을 측정하고, 물리적인 데이터 전송 없이 전체 결과를 재구성할 수 있습니다. 이는 유망한 방향으로, 우리는 앞으로 더 탐구할 계획입니다."라고 연구원은 결론지었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250513112304.htm