양자물질 우수연구단 초빙 석학 김은아 교수
오류수정 기능 포함 양자컴퓨팅 새로운 길 여나

이화여대 김은아 초빙석좌교수. ⓒ이화여대 제공
이화여대 김은아 초빙석좌교수. ⓒ이화여대 제공

이화여대 김은아 교수팀이 새로운 양자컴퓨팅 이론을 실증한 연구 결과를 네이처지에 게재하는 성과를 거뒀다.

이화여대(총장 김은미) 물리학과 ‘양자물질 우수연구단’의 초빙석학 김은아 교수 연구팀은 구글(Google) 연구팀과 협력해 2차원 입자인 비가환 애니온(non-abelian anyon)에 대한 새로운 이론을 실증했다. 비가환 애니온은 양자컴퓨팅에 내결함성(Fault Tolerance)을 적용하기 위한 토폴로지 양자컴퓨팅을 실현하는 핵심 요소다.

해당 연구 성과를 담은 논문 “Non-Abelian braiding of graph vertices in a superconducting processor”는 세계 3대 학술지인 네이처(Nature)지에 지난달 11일 게재됐다. 구글 양자 AI를 통해 실시된 이번 실험 결과는 지난 3월 Annals of Physics지에 게재된 김은아 교수와 공동저자들의 획기적인 이론연구에 기반한 것이다.

연구 결과를 통해 김은아 교수는 비가환 애니온들이 해당 양자 정보(큐비트)를 비국소적으로 저장해 큐비트가 보호될 수 있으며, 보호된 큐비트의 제어는 애니온의 시공간 내 궤적의 ‘꼬임(braid)’을 통해 가능하다고 밝혔다. 40년간 실험으로 실현되지 못했으나, 김은아 교수 연구팀이 초전도 기반 양자 프로세서를 사용해 비가환 애니온들의 생성과 시공간 내 궤적의 꼬임을 실현한 것이다.

김은아 교수는 “사상 최초로 비가환 애니온을 생성, 제어해 궤적의 꼬임을 실현한 기반에는 실험을 면밀히 유도한 이론이 있었다”며, “창의적인 통찰력과 게이지이론을 접합함으로써 간단명료한 기하학적 관점을 양자역학적으로 구현할 수 있는 최단 경로를 제시할 수 있었다”고 설명했다.

이번 연구는 응집 물질 물리학과 양자 정보 과학 모두에서 중요한 발전으로 평가받는다. 위상 시스템 연구에서 중요한 이정표를 세운 김은아 교수팀의 연구는 비가환 애니온계의 물리학을 탐구하기 위한 새로운 플랫폼을 제시하고, 더 나아가 향후 오류 수정 기능을 포함한 내결함성 양자 컴퓨팅의 새로운 길을 열 것으로 기대된다.

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