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문제 정의
- 복제불가원리는 양자암호통신(quantum cryptography)의 핵심적인 요소로, 정보 전달 과정에서 도청의 위협을 원리적으로 막을 수 있다. 가령, 도청자가 전송되고 있는 정보를 가로채 측정을 하고, 그 정보를 복제하여 받는 사람에게 다시 보낸다고 해보자. 이 경우 도청자는 자신의 존재를 들키지 않고도 정보를 가로챌 수 있다.
- 양자정보의 기본단위인 큐비트는 기존의 비트와는 확연히 다른 세가지 특징을 가지는데, 양자중첩, 양자얽힘, 그리고 복제불가능성이다. 먼저 이 세가지 특징에 대해 간단히 알아보도록 하자.
- 양자정보기술의 기초 및 응용연구에 가장 활용도가 높을 것으로 기대되는 물리계는 광자인데, 이는 기본적으로 양자통신이 광자를 이용해야 하기 때문이며 광자기반 양자컴퓨터와 양자통신 시스템의 결맞는 동작이 가능할 것으로 기대하기 때문이다. 아래에서는 광자를 이용해 다차원 및 다입자 양자계를 구현하는 방법, 이를 이용한 양자정보 구현, 그리고 구현된 양자 시스템의 응용 가능성에 대해 간략하게 알아보도록 한다.
- 양자역학을 탄생시킨 물리학자 중 한 사람인 슈뢰딩거가 코펜하겐 해석 이후 1935년에 떠올려낸 사고실험으로, 밀폐된 박스에 고양이와 함께 절반의 확률로 작동하는 독가스장치를 집어넣으면, 고양이가 죽어있을 경우와 살아있는 경우가 중첩이 되어 측정하기 전까지 두 상태가 공존한다는 것이다. 이 사고실험은 수많은 양자역학적 논의를 함의하고 있지만, 여기서는 고양이가 가질 수 있는 두 상태가 함께 공존하는 현상, 즉 양자중첩에 초점을 맞추도록 하자.
- 이번 글에서는 먼저 양자정보의 공통적인 기본 특징을 정리하고 광자를 이용해 양자정보를 구현하려는 노력, 즉 광자기반 양자정보에 대해 간략히 소개하고자 한다.
- 앞에서 소개한 방법에서 광자의 비국소성을 이용하였다면, 이번에는 광자가 가진 고유한 성질을 이용한 다차원 양자상태 구현에 대해 알아보자. 하지만 그에 앞서, 광자로 구현할 수 있는 가장 간단한 양자상태인 편광을 이용한 큐비트 시스템에 대해 알아보자. 단일광자의 편광은 고전역학적으로도 잘 알려져 있는 빛의 편광과 같은 개념으로, 그 방향은 그림 3(a)에서 볼 수 있듯이, 수평 성분과 수직 성분의 조합으로 나타낼 수 있다.
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