[김윤호 교수 연구실] 양자상태를 측정할 때 발생하는 기하학적 위상의 메커니즘 규명

(왼쪽) 블로흐 구 위에 나타낸 양자 상태의 변화. (오른쪽) 양자 측정의 기저 ‘b’와 세기를 변화시키며 측정한 기하학적 위상.  

포스텍(포항공대) 김윤호 교수 연구팀이 양자상태를 측정할 때 발생하는 기하학적 위상의 메커니즘을 실험적으로 규명하였다.

물리학과 김윤호 교수 연구팀의 김요셉 학생은 한국과학기술연구원(KIST)의 조영욱 박사 연구팀과의 공동연구를 통해 양자상태를 측정할 때 발생하는 기하학적 위상이 측정 반작용(measurement back-action)으로부터 기인한다는 것을 실험적으로 보였다. 이 연구는 물리학 분야 최고 권위지인 Nature Physics 최신호 (2019.4)에 게재됐다. 기하학적 위상의 양자적 특성은 결어긋남에 강하다고 알려져 있어 본 연구는 기하학적 위상을 기반으로 한 양자컴퓨팅 분야 등 양자정보처리연구에 기여할 것으로 기대된다.

양자상태가 조작에 의해 변화한 뒤 다시 기존 상태로 돌아왔을 때 그 과정을 위상의 형태로 기억하는 현상이 발생하는데 이를 기하학적 위상이라고 한다. 저명 물리학자인 ‘마이클 베리’에 의해 1980년대 도입된 기하학적 위상의 개념은 자연계에서 보편적으로 나타나는 현상으로 현재는 화학, 재료공학, 광학, 양자정보 등 여러 분야에서 광범위하게 도입되어 활용되고 있다. 특히, 기하학적 위상의 응용범위가 양자컴퓨팅 구현에 도움이 된다고 알려져 최근 관련 연구자들의 관심을 끌고 있다.

기하학적 위상은 일반적으로 양자상태가 느리게 변화하는 단열과정에서만 발생한다고 여겨졌으나, 즉각적으로 상태가 변화하는 “양자측정” 과정에서도 나타날 수 있음이 예견되었다. 그러나 양자측정과정에서 발생하는 기하학적 위상의 기작은 아직까지 명확하지 않았다.

연구팀은 극도로 잘 제어된 양자측정기술을 통해 큐빗에 저장된 양자정보가 측정반작용에 의해 변화해 가는 기작을 정밀하게 관측하였다. 특히 양자측정에 의한 양자정보의 변화 정도가 기하학적 위상 형태를 가지게 됨을 최초로 보여주었다. 이번 연구를 통해 양자물리계 이해를 위한 중요한 두 개념인 “측정반작용”과 “기하학적 위상”이 서로 간 밀접한 관계를 가짐을 최초로 규명하였다. 또한, 양자측정에서 얻어지는 기하학적 위상이 “양자 약한 값(quantum weak value)”과 연관되어 있음을 밝혔다.

연구를 주도한 김윤호 교수는 “이번 연구는 양자 측정 시 발생하는 기하학적 위상에 대한 깊은 이해를 제공함으로써 기하학적 위상을 활용하는 양자정보처리 연구의 중요한 초석을 마련하였다” 라고 밝혔다.