▲ 외부 잡음에 따라 달라지는 양자 촉매 과정 / (좌상) 양자 촉매 을 활용하여 양자 상태 를 으로 변화시키는 촉매 과정. (우상) 초기 양자 상태에 오류가 있더라도 그 오류를 촉매로 전파하지 않는 오류 내성 촉매 과정. (좌하) 초기 촉매 상태에 오류가 있을 때 촉매 반응물에 그 오류가 전파된 비이상적인 촉매 과정. (우하) 초기 상태와 촉매 상태 모두 완벽하나 촉매과정 자체에 오류가 있을 때 촉매 반응물과 양자 촉매 모두 오류에 오염된 비이상적인 과정.(그림 및 설명=UNIST)  © 특허뉴스

양자 컴퓨팅과 양자 열기관 등 차세대 양자 기술의 핵심 개념으로 주목받는 양자 촉매(Quantum Catalysis)가 실제 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있는 조건이 처음으로 규명됐다. 잡음이 존재하는 현실적 환경에서도 양자 촉매의 효과를 유지할 수 있는 이론적 기준을 제시한 연구로 평가된다.

UNIST 물리학과 이석형 교수와 싱가포르 난양공과대학교(NTU) 연구팀은 기존 양자 촉매 방식이 미세한 잡음에도 쉽게 훼손되는 문제를 분석하고, 이를 해결할 수 있는 ‘촉매 채널(Catalytic Channel)’ 방식을 제시했다고 밝혔다. 연구 결과는 물리학 분야 권위 학술지 ‘Physical Review Letters’에 지난달 6일 출판됐다.

양자 촉매는 양자 얽힘(entanglement)이나 결맞음(coherence) 같은 제한된 양자 자원을 보다 효율적으로 사용할 수 있도록 돕는 특수한 양자 자원이다. 화학 촉매처럼 자신은 소모되지 않으면서 특정 양자 상태 변환을 가능하게 하고, 기존 자원을 재사용할 수 있도록 돕는 특징 때문에 ‘양자 촉매’라는 이름이 붙었다.

그러나 기존 연구에서 제시된 대부분의 양자 촉매 모델은 이상적인 환경을 전제로 설계돼 실제 시스템에서 발생하는 미세한 잡음에 매우 취약한 것으로 나타났다. 양자 연산 과정에서 입력 상태를 준비할 때 발생하는 작은 오차만으로도 촉매 상태가 점차 훼손되면서 반복 사용이 어려워지는 문제가 발생한다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위한 방법으로 ‘촉매 채널’ 방식을 제안했다. 촉매 채널은 입력 상태의 종류와 관계없이 양자 연산 이후 촉매 상태가 항상 원래 상태로 정확히 복원되도록 설계된 양자 연산 구조다. 이를 통해 잡음이 존재하는 현실적 환경에서도 촉매 효과를 안정적으로 유지할 수 있다는 점을 수학적으로 증명했다.

연구팀은 동시에 촉매 채널의 적용 범위와 한계도 규명했다. 얽힘이나 결맞음과 같은 대표적인 양자 자원의 경우에는 촉매 채널 방식을 적용하더라도 추가적인 이득을 얻을 수 없다는 ‘불가능성 정리’를 제시했다. 반면 특정한 열역학적 조건에서는 잡음이 존재하더라도 촉매 채널이 안정적으로 작동할 수 있다는 사실도 확인됐다.

이석형 교수는 “이번 연구는 이상적인 가정이 아니라 잡음이 존재하는 현실적 환경에서 양자 촉매가 유지될 수 있는 조건을 규명한 것”이라며 “양자 컴퓨터 연산 효율을 높이기 위한 회로 설계나 양자 열기관 개발 등에서 잡음에 강한 구조를 설계하는 데 중요한 이론적 기준을 제시했다는 점에서 의미가 있다”고 설명했다.

이번 연구에는 NTU의 넬리 응(Nelly H. Y. Ng) 교수가 교신저자로 참여했으며, NTU 손정락 박사가 제1저자를 맡았다. 프랑스 엑스-마르세유 대학과 일본 나고야 대학 연구진도 공동 참여했다. 

연구진은 이번 성과가 향후 잡음에 강한 양자 컴퓨팅 시스템 설계와 양자 열기관 연구에 중요한 이론적 기반이 될 것으로 기대하고 있다.

논문명은 Catalytic Channels Are the Only Noise-Robust Catalytic Processes이다.