[김윤호 교수 연구실] 약한 측정을 이용한 효율적인 양자상태측정 방법 제시

약한 값 측정을 이용한 효율적인 양자 채널 토모그래피 실험 모식도 / Schematic of experimental setup for direct quantum process tomography via weak value measurement

포스텍(포항공대) 김윤호 교수 연구팀은 효율적인 양자 채널 토모그래피 방법을 제시하고 실험적으로 구현했다.

물리학과 김윤호 교수 연구팀의 김요셉 학생은 한국과학기술연구원(KIST)의 조영욱 박사 연구팀과의 공동연구를 통해 양자 채널 특성을 나타내는 행렬의 성분을 직접 측정하는 방법을 제시하여 양자 채널 토모그래피에 필요한 측정 횟수를 획기적으로 줄였다고 밝혔다. 이 연구는 저명 학술지인 Nature Communications 최신호 (2018.1)에 게재됐다. 이번 연구를 통해 양자정보기술 구현에 큰 걸림돌이었던 양자 채널 특성 확인에 필요한 측정 시간을 획기적으로 단축할 수 있게 되었다.
양자 통신, 양자 컴퓨터 등과 같은 양자정보기술을 구현하기 위해서는 양자 상태와 양자 채널을 의도한대로 정확히 구현할 수 있어야 한다. 그뿐만 아니라 양자 상태와 양자 채널이 실험적으로 잘 구현됐는지 확인하는 수단이 필요한데 이를 각각 양자 상태 토모그래피와 양자 채널 토모그래피라고 한다.
일반적으로 양자 상태가 양자 채널을 지나고 나면 양자 상태에 변화가 생긴다. 양자 채널 토모그래피는 이 점을 이용해서 이미 알고 있는 양자 상태를 양자 채널에 입력할 때 양자 상태가 어떻게 변화하는지를 관측함으로써 양자채널의 특성을 측정한다. 하지만 양자 채널의 크기가 커질수록 필요한 측정의 횟수가 기하급수적으로 증가하는 어려움이 있다.
연구팀은 양자 채널을 나타내는 행렬의 성분 중 일부만이 양자 채널 특성에 주요하게 기여한다는 것에 주목하였다. 행렬의 성분이 복소수의 값을 가지기 때문에 보편적인 양자측정으로는 측정이 불가능하지만 양자역학의 특수한 측정 방법인 약한 값 측정은 보편적인 양자측정으로는 측정이 불가능한 복소수의 물리량도 측정할 수 있다. 연구팀은 약한 값 측정을 활용하여 양자 채널 특성에 기여하는 물리량을 직접 측정할 수 있는 방법을 제시하였고 이를 실험으로 구현하여 16번의 측정이 필요한 양자 채널을 4번의 측정만으로 특성을 정량화할 수 있음을 확인하였다.
연구를 주도한 김윤호 교수는 “이번 연구 성과는 양자 채널 특성을 효율적으로 측정하는 방법론을 제시하여 양자정보기술 구현에 유용하게 활용될 수 있다” 라고 밝혔다.

The weak value concept has enabled fundamental studies of quantum measurement and, recently, found potential applications in quantum and classical metrology. However, most weak value experiments reported to date do not require quantum mechanical descriptions, as they only exploit the classical wave nature of the physical systems. In this work, we demonstrate measurement of the sequential weak value of two incompatible observables by making use of two-photon quantum interference so that the results can only be explained quantum physically. We then demonstrate that the sequential weak value measurement can be used to perform direct quantum process tomography of a qubit channel. Our work not only demonstrates the quantum nature of weak values but also presents potential new applications of weak values in analyzing quantum channels and operations.