[김윤호 교수 연구실] 적응형 압축 센싱을 이용해서 효율적으로 양자 채널을 검증할 수 있는 방법

Caption: (왼쪽) 적응형 압축 센싱 토모그래피(ACQPT)를 위한 실험 셋업. (오른쪽) 256번 측정을 통한 일반적인 토모그래피 (Standard QPT) 결과와 39번 측정을 통한 ACQPT 결과의 비교

포스텍(포항공대) 김윤호 교수 연구팀이 적응형 압축 센싱을 이용해서 효율적으로 양자 채널을 검증할 수 있는  방법을 개발하였다. 

물리학과 김윤호 교수 연구팀의 김요셉 학생은 서울대학교 물리학과 정현석 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 적응형 압축 센싱 (compressive sening)을 이용해서 효율적으로 양자 채널을 검증할 수 있는 방법을 개발하였다. 이 연구는 저명 학술지인 Physical Review Letters 최신호 (2020.5)에 게재됐다. 본 연구는 양자 채널에 대한 사전 정보가 필요한 기존의 압축 센싱 방법과는 달리 채널에 대한 정보를 전혀 가정하지 않고도 측정의 횟수를 줄일 수 있어 높은 신뢰성과 효율성을 가진 양자 채널 검증 방법으로 평가된다.

양자 통신, 양자 컴퓨터 등과 같은 양자정보기술은 양자 시스템과 시스템의 상태를 변화시키는 양자 채널을 사용해서 구현한다. 하지만 양자 시스템의 크기가 커짐에 따라 양자 채널 검증에 필요한 측정 횟수가 기하급수적으로 증가하기 때문에 대규모 양자정보기술 검증에 큰 어려움이 있다. 이를 극복하기 위해 양자 채널 검증에 필요한 측정 횟수를 줄이기 위한 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이미지 프로세싱 분야에서 개발된 압축 센싱은 행렬 원소 대부분의 값이 0이거나 행렬의 계수(rank)가 낮을 경우 적은 측정으로도 전체 행렬을 복원하는 기술이다. 일반적으로 양자 채널 행렬은 계수가 낮기 때문에 압축 센싱을 사용하면 측정 횟수를 상당히 줄일 수 있다. 하지만 양자 채널의 계수를 잘못 가정하면 압축 센싱은 왜곡된 결과를 주어 큰 위험성이 따른다. 이번 논문을 통해 저자들은 양자 채널에 대한 사전 정보 없이도 압축 센싱을 적용할 수 있고 매 측정 시 이전의 측정 결과를 바탕으로 하여 최적의 측정 기저(basis)를 적응형으로 선택할 수 있는 적응형 압축 센싱 기술을 개발하였다. 이를 양자 광학 실험으로 구현하여 일반적인 방법으로 256번의 측정이 필요한 특정 양자 채널의 검증을 단 38번의 측정으로 성공하였다.

연구를 주도한 김윤호 교수는 “이번 연구 성과는 양자 채널에 대한 사전 정보 없이도 높은 신뢰성과 효율성으로 양자 채널을 측정할 수 있어 양자정보기술 검증에 유용하게 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.