[김윤호교수 연구실] 광자의 초얽힘을 이용해 잡음에 강한 양자통신 프로토콜을 제안하고 검증하였음

Caption : 편광상태와 주파수/시간 상태가 동시에 얽힘된 초얽힘 상태는 고잡음 환경에서 양자신호의 장거리 전송을 가능하게 함.

포스텍 물리학과 김윤호 교수 연구팀은 광자의 초얽힘을 이용해 잡음에 강한 양자통신 프로토콜을 제안하고 검증하였음.

물리학과 김윤호 교수 연구팀은 광자의 초얽힘(hyper-entanglement) 현상을 이용해 고잡음 환경에서 양자신호를 효과적으로 전송하는 프로토콜을 제시 및 실험으로 검증하고, 이 결과를 저명 학술지인 Optica에 게재하였음 [Optica 8, 1524 (2021)]. 본 연구는 초얽힘의 구체적 활용예로는 최초이며 잡음이 많은 장거리 양자통신의 실용화 구현에 크게 기여할 것으로 평가됨.

떨어진 통신노드에 양자얽힘(Quantum entanglement)을 분배하는 것은 양자키분배(Quantum key distribution) 및 양자비밀공유(Quantum secret sharing)와 같은 양자통신 알고리즘을 구현하는 과정에서 필수적인 요소임. 하지만, 잡음이 많은 실제 광섬유 통신환경 속에서 양자얽힘은 쉽게 결맞음(Coherence)을 잃어버리기 때문에, 통신 알고리즘을 수행하는 연구는 짧은 거리에 국한되어 있었음. 이를 해결하기 위한 기술적 연구가 이루어졌지만, 대부분의 연구가 양자 채널에서의 잡음을 억제하는 데에 초점을 맞추어져 있으며, 문제를 온전히 해결하기에는 한계가 있었음. 이에 연구팀은 광자의 초얽힘(Hyper-entanglement) 현상을 이용하여 양자신호에 추가적인 잡음저항을 부여할 수 있는 새로운 프로토콜을 제안하였음. 이를 위해 편광과 주파수/시간 모드가 초얽힘된 광자쌍을 생성할 수 있는 광섬유 기반 광학시스템을 구현함. 저자들은 편광얽힘에 더불어 존재하는 주파수/시간 상태를 효율적으로 활용하여, 채널상의 잡음을 효과적으로 제거할 수 있었음. 곧, 제안한 방법을 통해 편광얽힘신호의 신호대잡음비(Signal-to-noise ratio)를 현저히 개선할 수 있었으며, 얽힘이 사라질 정도의 고잡음 채널 환경에서도 양자통신(Quantum communication)이 가능해짐을 실험적으로 보임. 제안된 프로토콜은 기존의 큐비트 양자통신 알고리즘에 보편적으로 적용가능하므로, 제한적으로 수행되던 기존의 잡음억제전략을 보완할 수 있는 새로운 가능성을 시사함.

연구를 주도한 김윤호 교수는 “이번 연구 성과는 고잡음 환경속에서 양자통신 알고리즘을 수행하는 데에 도움을 줄 연구결과로써, 장거리 양자통신 발전에 이바지할 것”이라고 밝혔음.