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양자정보의 측정에 대한 양자광학적 연구: 정보이득과 상태교란의 배타성 원문보기

광학과 기술 = Optical science and technology, v.13 no.3, 2009년, pp.28 - 37  

백소영 (포항공과대학교 물리학과) ,  김윤호 (포항공과대학교 물리학과)

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문제 정의

  • 이때 양자비트의 상태를 |0> 또는 |1>로 무작위로(random) 추정할 수 밖에 없으므로 그 경우 추정한 양자상태가 측정전의 양자상태와 일치할 확률은 1/2로 예상할 수 있다. 그렇다면 앞서 정의된 estimation fidelity가 과연 이 예상값과 일치하는지를 알아보자. 양자비트의 상태를 0으로 (또는 1) 추정한다고 가정하면 식 (6)의 양자비트에 대한 estimation fidelity는 GΨ = |{0|Ψ>|2 = |α|2 (또는 |β|2)이다.
  • 특히 양자정보의 기본단위인 양자비트에 대해 측정을 통해 얻게 되는 정보이득과 양자상태의 교란과의 상관관계를 보였고 최소교란양자측정이라는 개념을 소개하였다. 또 최소교란양자측정을 구현하는 일반적인 양자회로를 보였고 단일광자 양자비트에 대해 최소교란양자측정을 어떻게 구현할 수 있는지를 자세히 설명하였다. 이 글에서 소개한 단일광자 양자비트에 대한 최소교란양자측정은 선형광학계를 사용하였고 이론적인 성공확률이 100%이므로 양자통신 및 양자암호 분야의 연구에 응용될 수 있을 것으로 생각한다 [19].
  • 먼저 측정을 통한 정보이득을 어떻게 정량화 할 수 있는지 알아보자. 앞서 이야기 한 바와 같이 단일 양자계에 대한 한번의 측정은 양자상태에 대한 아무런 정보도 주지 못하며 No cloning theorem에 의해 임의의 양자상태를 완벽하게 복제하는 것은 불가능 하다.
  • 앞에서 알아본 양자회로의 기본요소들을 이용해서 양자비트의 최소교란양자측정을 구현하기 위한 양자회로에 대해 알아보자. 그림 5는 참고문헌 [14]에서 제안된 최소교란양자측정의 양자회로이다.
  • 양자정보의 측정과정에서 나타나는 정보이득과 상태교란의 배타성은 양자광학적인 시스템을 이용해 연구할 수 있는데 이 글에서는 양자정보의 측정에 대한 양자광학적 연구에 대해 간략히 소개하고자 한다.
  • 이 글에서는 양자역학에서 양자측정이 무엇을 의미하는 지를 되돌아 보았고 양자측정이 최근 많이 연구되고 있는 양자정보에 어떠한 영향을 미치는지를 간단히 소개하였다. 특히 양자정보의 기본단위인 양자비트에 대해 측정을 통해 얻게 되는 정보이득과 양자상태의 교란과의 상관관계를 보였고 최소교란양자측정이라는 개념을 소개하였다.
  • 지금까지 모든 일반적인 양자비트에 대해 적용 가능한 최소교란양자측정 회로에 대한 아이디어를 소개하였다. 이번 장에서는 앞장에서 소개한 최소교란양자측정을 단일광자 양자비트에 대해 구현하는 실험을 소개한다.
  • 이번에는 매우 강한 측정을 하는 경우를 상상해보자. 양자상태를 computational basis인 |0>과 |1>로 투영측정(projection measurement)하는 경우 식 (6)의 양자비트는 |0> 또는 |1>로 완전히 투영(projection 또는 collapse)되는데 이를 von Neumann 측정이라 한다.
  • 지금까지 모든 일반적인 양자비트에 대해 적용 가능한 최소교란양자측정 회로에 대한 아이디어를 소개하였다. 이번 장에서는 앞장에서 소개한 최소교란양자측정을 단일광자 양자비트에 대해 구현하는 실험을 소개한다.
  • 지금까지 정보이득과 상태교란의 정량화를 통해 최소교란양자측정의 조건을 얻을 수 있었다. 지금부터는 이를 실험적으로 구현하기 위한 실제적인 방법에 대해 알아보자.최소교란양자측정의 실험적 구현을 위해서는 양자회로(quantum circuit)를 설계할 수 있어야 하므로 먼저 양자회로에 대해 간단히 살펴보도록 하겠다.

가설 설정

  • 여기서 t와 r은 규격화조건 |t|2 + |r|2 = 1을 만족해야하고 |t| ≥ |r|을 가정한다.
  • 그림 1은 Heisenberg가 제안한 정지해 있는 전자의 위치를 측정하기 위한 현미경이다. 직경D와 초점거리 f 를 가지는 렌즈를 이용해 현미경를 구성하고 전자는 렌즈의 초점에 놓여있다고 가정한다. 이때 왼쪽 방향에서 입사되는 광자는 전자와 충돌을 겪은 후 산란되고 현미경을 통해 이 산란되는 광자를 관측함으로써 전자의 위치를 알 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
양자역학에서 측정이라는 행위는 어떤 역할을 하는가? 양자역학에서 양자상태의 측정에 대한 문제는 양자이론의 발전 과정에서 철학적 과학적 논쟁의 핵심주제가 되어왔다. 고전역학과 달리, 양자역학에서는 측정이라는 행위자체가 측정 대상의 양자상태를 교란시키는 역할을 한다[1]. 양자측정의 방법에는 관측대상과 측정장치를 직접 연결하여 정보를 얻어내는 직접측정(direct measurement)과 간접적으로 정보를 얻어내는 간접측정(indirect measurement)이 있다.
양자측정의 방법에는 어떤 것들이 있는가? 고전역학과 달리, 양자역학에서는 측정이라는 행위자체가 측정 대상의 양자상태를 교란시키는 역할을 한다[1]. 양자측정의 방법에는 관측대상과 측정장치를 직접 연결하여 정보를 얻어내는 직접측정(direct measurement)과 간접적으로 정보를 얻어내는 간접측정(indirect measurement)이 있다. 직접 측정은 Heisenberg의 불확정성의 원리로 설명할 수 있는데 보다 많은 정보를 얻기위해 측정의 강도를 세게 할수록 측정되는 계의 양자상태는 더욱 심하게 교란된다 [2].
양자측정 방법 중 직접측정은 측정의 강도를 세게 할수록 어떤 문제가 생기는가? 양자측정의 방법에는 관측대상과 측정장치를 직접 연결하여 정보를 얻어내는 직접측정(direct measurement)과 간접적으로 정보를 얻어내는 간접측정(indirect measurement)이 있다. 직접 측정은 Heisenberg의 불확정성의 원리로 설명할 수 있는데 보다 많은 정보를 얻기위해 측정의 강도를 세게 할수록 측정되는 계의 양자상태는 더욱 심하게 교란된다 [2]. 간접측정의 경우 양자지우개(quantum eraser)를 예로 들 수 있는데 측정대상에 대한 양자정보를 양자얽힘(quantum entanglement)을 이용해 간접적으로 지움으로써 측정에 의한 직접적인 양자상태의 교란을피할수있다 [3, 4].
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