네덜란드 델프트공대 물리학자들이 양자 순간이동 기술을 진전시켰다. 양자정보 순간이동 기술에서 또 한 번의 진보이다. 아인슈타인은 양자 원격 이동을 유령이 움직이는 것에 비유하며 불가능하다고 했으나 실제로 가능하다.
초전도 현상이 처음 나왔을때 사람들은 믿기 힘들어 했고 현상을 직접 보고 나서도 쓸데가 없다고 생각했으나 이것이 자기 부상 열차 등으로 현실화되었다.
양자 원격이동 기술도 지금으로서는 시작단계에 불과하다. 그러나 인공지능 슈퍼컴퓨터를 능가하는 양자컴퓨터 등 새로운 기술시대를 앞당기는 초석의 하나이다.
1. 100년 역사의 양자 순간이동 연구
아인슈타인은 자신의 상대성 이론에 따라 빛보다 빠른 물질은 없다는 이유로 양자 원격이동이 불가능하다고 했다. 그는 양자 원격 이동을 마치 유령이 움직이는 것에 비유했다.
정보를 담고 있는 물질이 실제로 움직이지 않으면 두 장소 간에 정보가 이동하는 것은 유령이 움직이는 것과 다를 게 없다고 생각했다. 그러나 실제로 가능함이 다음과 같이 증명되었다.
양자(quantum)은 물리량의 최소 단위이다. 순간이동이 일단 ‘양자 세계’에서 가능하고 심지어 ‘전자’에서도 가능하다. 양자물리학의 기본 개념 중 하나인 얽힘에서 한 입자의 속성은 입자들이 멀리 떨어져 있어도 다른 입자의 속성에 영향을 미친다.
양자 순간이동은 원거리에 있는 두 개의 얽힌 입자를 포함하는데, 거기에서 세 번째 입자 상태는 즉시 자신의 상태를 두 개의 얽힌 입자들에 ‘전송’시킨다는 것이다.
얽힌 입자 중 하나를 관측해 원하는 상태로 고정하면 얽힌 다른 입자의 상태가 고정된다. 양자 얽힘 상태의 두 입자가 국소성(locality)의 원리를 따르지 않게 되는 성질(= 비 국소성)을 이용해서 정보를 전달한다.
이러한 양자 순간이동은 양자 컴퓨팅에서 정보를 전송하는 중요한 수단이다. 국소성의 원리는 동일한 시공간 속에서 일어나는 모든 것은 다른 공간적 영역에서 일어난 작용에 전혀 영향을 받지 않는다는 것이다.
그러나 양자론(=양자역학)은 양자 ‘파동함수’를 이용하여 비 국소성(Non Locality)이 존재함을 밝혔다. 벨의 부등식과 아스페의 실험은 양자론의 비국소성에 대한 증거를 보여주었다.
2004년 원자를 순간적으로 다른 장소로 이동시키는 원격 이동(텔레포테이션) 실험이 세계 최초로 성공했다. 네이처에 기재되었다. 오스트리아 인스브루크 대학과 미국 국립기술표준원(NIST) 연구진이 네이처에 실험 성공을 발표했다.
중간지점을 거치지 않고 한곳에서 다른 곳으로 옮기는 실험에 성공한 것이다. 이는 양자역학의 기본 특성인 양자 얽힘 현상(entangled)을 이용한 것이다. 1997년 인스브루크 대학 연구진은 빛의 알갱이(광자)를 원격 이동하는데도 성공했다.
일단 이 기술은 사람을 공간 이동시키는 것보다는 우선 컴퓨터 내부의 처리속도를 획기적으로 높이는 데 우선 적용되고 있다. 2019년 과학자들은 광자가 물리적으로 연결되지 않은 경우에도 컴퓨터 칩에 있는 광자 사이에 정보가 전달될 수 있다는 사실을 확인했다.
2020년 미국 로체스트대 니콜 교수와 퍼크대 연구팀이 전자들 사이에도 순간이동이 가능한 것을 밝혔다. 먼 거리의 전자 사이에 양자 역학적 상호작용을 창출하는 새로운 방식을 찾아냈다.
전자기 광자를 이용해 멀리 떨어진 큐비트의 얽힌 쌍을 생성해 냄으로써 양자 순간이동을 시연했다. 개별 전자들로 이루어진 이 큐비트는 반도체에서 정보를 전송하는데도 유망하다. 전자 간 장거리 상호작용을 안정적으로 생성하는 것이 필수적이다.
연구진은 전자를 이용한 양자 순간이동을 시현하기 위해 하이젠베르크의 교환 결합원리를 기반으로 최근에 개발된 기술을 채용했다. 개별 전자는 위아래를 가리킬수 있는 북극과 남극을 가진 막대자석과 같다.
북극이 아래를 가리키던 위를 가리키던 극 방향은 전자의 자성 모멘트(magnetic moment) 이나 양자 스핀 상태로 알려진다. 동일한 양자 상태의 두 전자가 서로의 위에 자리할 수 없다. 니콜 교수는 이 기술을 이용해 얽힌 전자쌍을 분배하고 스핀 상태를 순간 이동시켰다.
그리고 이를 얽힘 교환(Entanglement swapping)과 순간이동을 이용하는 양자컴퓨팅의 유용한 기술인 ‘양자 게이트 텔레포테이션(quantum gate teleportation)의 증거라고 강조했다.
자성 모멘트(자성을 띤 순간)는 물체가 자기장에 반응하여 돌림힘을 받는 정도는 나타내는 벡터 물리량이다. 스핀은 ‘회전하다’는 뜻이지만 실제로 입자가 어떤 축을 중심으로 회전하지는 않는다.
스핀spin은 양자역학에서 입자의 운동과 무관한 ‘고유한 각운동량’이다. 전자는 스핀 양자수가 1/2이고, 광자는 스핀 양자수가 1이다. 스핀 각운동량은 입자의 궤도, 위치, 운동량과는 전혀 관계없이, 입자 자체에 내재된 각운동량이다.
연구진은 이를 과학저널 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’와 ‘물리학 리뷰 엑스(Physical Review X)’에 발표했다.
이 연구는 양자 컴퓨팅을 향상시키는 중요한 단계로 더 빠르고 효율적인 프로세서와 센서를 제공할 수 있다. 그렇게 되면 기술과 의학, 과학에 혁명을 일으키게 된다.
2. 2022년 진일보된 3중 양자 순간이동 기술
양자역학의 신기한 힘을 활용해서 양자를 멀리 이동시킬 수 있다. 양자 원격 순간이동 기술은 물리적으로 각각 떨어져 있는 곳으로 데이터를 보내는 기술이다. 2군데에 이어 이번에 3곳으로 보낼 수 있게 되었다.
델프트대 연구진은 영하 섭씨 270도로 냉각된 다이아몬드로 노드 3개(A-B-C)를 광섬유 양자채널로 연결한 양자 네트워크를 만들었다. 그 다음 광섬유 양자채널로 노드 3개를 차례로 연결한 양자 네트워크를 만들되 A와 C 직접 연결하지 않았다.
그럼에도 양자채널로 서로 직접 연결되지 않은 노드(A-C)사이에 양자 정보가 전송되는 사실을 알아냈다. 연구진은 양자 얽힘현상을 다이아몬드와 알루미늄 실린더로 구현했다. 그리고 양자 얽힘을 측정하며 노드간에 얽힘 현상을 공유하고 교환하는 현상을 확인했다.
양자컴퓨터는 기존 컴퓨터와 달리 양자상태를 이용한다. 입자가 전하나 광자처럼 매우 작거나 절대온도 0도 근처의 초저온 금속일 경우 단일 물질은 동시에 마치 2개인 것처럼 행동한다.
이 실험 지금까지는 양자채널로 연결된 노드 사이에서만 양자전송이 가능했다. 이번에 직접 연결되지 않은 노드사이에서 처음으로 양자전송을 처음으로 성공시킨 것이다. 이러한 양자 전송기술은 특히 양자 인터넷, 양자 네크워크 개발에 필요한 핵심기술이다.
이번 성과는 양자역학 연구 백년을 기반으로 한다. 양자 컴은 슈퍼컴이 수천 년 걸리는 작업을 몇 분 안에 해낼 수 있다. 이를 위해서는 멀리 있는 기기 간에 양자 정보를 보낼 수 있는 컴퓨터 네트워크인 ‘양자 인터넷’이 필요하다. 이것이 바로 다음 과제인 원거리 기술이다.
이번 실험은 양자 네트워크가 상당한 규모로 확대될 수 있음을 의미한다. 이는 양자컴퓨터 실용화 가능성을 앞당긴 것이다. 연구진은 이 기술이 궁극적으로는 신약개발 속도를 높이고 인공지능 발전을 가속하며 개인정보 보안, 국가안보에 필수적인 사이버 보안에 도움일 될 것이라고 한다.
실험을 이끈 델프트공대 물리학자 ‘로널드 한슨’은 현재 실험실에서 소규모 양자 네트워크를 구축하고 있다. 이번 실험의 성공으로 궁극적으로는 실험실 밖에서 양자 인터넷 구현으로 이어질 것으로 전망했다. 이 연구성과는 이달 발행된 과학전문지 ‘네이처’에 실렸다.
양자역학에 의하면 정보는 중첩되어 있는 상태에서 관측이 이뤄지는 순간 모든 것이 결정된다. 거리가 아무리 멀리 떨어져 있어도 관측이 이뤄지는 순간 중첩이 깨지고 하나로 결정이 된다.
3. 양자 컴퓨터가 일으키는 혁명
이번 실험 성공으로 데이터 전송 분야에서 엄청난 진보를 이룰 수 있는 토대를 마련했다. 양자 원격이동은 양자 컴퓨터 간 데이터 이동뿐만 아니라 해킹까지 막을 수 있다. 컴퓨터 보안, 개인 정보보호에 혁명이 일어나는 것이다.
지금까지와는 다른 세계가 펼쳐진다는 것이다. 구글은 현재 서버를 통해 우리가 무엇을 검색하는지 알지만 양자 원격이동이 본격화되면 알 수 없게 된다.
기존 컴퓨터는 심지어 수퍼컴퓨터도 0과 1의 ‘비트’를 토대로만 움직인다. 비트라고 하는 수십억 개의 트랜지스터로 구성되어 있다. 즉, 회로가 켜져 있으면 1, 커져 있으면 0으로 표시한다.
그러나 양자컴퓨터는 양자비트(=큐비트)를 토대로 움직이며 큐비트는 정보를 0과 1 두 가지 중첩 상태로 보관할 수 있다. 0이나 1이 아니라 0과 1 두 가지 모두를 포함한다.
이에 따라 2큐비트는 동시에 4가지 값을 3 큐비트는 8가지 값 4 큐비트는 16가지 값을 가질 수 있다. 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터에 비해 연산처리능력이 기하급수적으로 늘어난다는 의미이다.
이번에 양자 원격이동으로 3군데 전송은 별거 아니어 보여도 실제로는 양자컴퓨터의 실용화 가능성을 더 높여준 쾌거이다. 다만 여전히 양자 컴을 현실화하는 데는 앞으로 최소 수년이 걸린다.
양자컴퓨터는 양자 현상을 이용하여 연산을 한다. 구글이 발표한 양자컴퓨터는 54큐빗이다. 그러나 이중 1개의 큐빗이 작동하지 않아 실제로는 아직 53큐빗으로 작동하여 2의 53 제곱의 비트로 작동한다. 작동한다는 게 중요하다. 개선과 발전의 여지가 있는 것이다.
전화기는 소리정보를 순식간에 먼 곳으로 이동시킨다. 정보를 먼 곳으로 보내는 기술의 시작이었다. tv, 인터넷, 핸드폰으로 목소리뿐 아니라 동영상 등 무형적인 부분이 이미 순간이동이 가능하다.
그러니 질량을 지닌 정보 즉 입자를 심지어 사람까지 순간이동 시킬 방법까지 가능하게 될 걸로 보인다. 아직은 힌트조차 찾지 못한 상황이지만 말이다.
아인슈타인이 인터넷과 스마트폰 시대에 살았다면 양자 순간이동이 가능하고 양자 인터넷 컴퓨팅까지 실현할 수 있었을 것이다. 우리는 우리 시대의 물리학자와 공학자들이 필요하다. 이미 집단지성이 작동해서 아인슈타인을 능가하고 있다
양자컴퓨터는 기존 컴퓨터와 달리 양자상태를 이용한다. 입자가 전하나 광자처럼 매우 작거나 절대온도 0도 근처의 초저온 금속일 경우 단일 물질은 동시에 마치 2개인 것처럼 행동한다.
양자역학의 신기한 힘을 활용해서 양자를 멀리 이동시킬 수 있다. 양자 원격 순간이동 기술은 물리적으로 각각 떨어져 있는 곳으로 데이터를 보내는 기술이다. 델프트공대가 2군데에 이어 이번에 3곳으로 보낼 수 있게 되었다.
