레이저 기반 양자 연산은 광자(Photon)를 정보 단위로 활용한다는 점에서 매우 매력적인 기술이다. 광자는 주변 환경과 약하게 상호작용하기 때문에 디코히어런스에 대해 상대적으로 강하며, 상온에서도 안정적으로 유지될 수 있다. 이러한 특성은 광자 기반 양자컴퓨터가 다른 플랫폼보다 실용화 가능성이 높다는 전망을 낳는다. 그러나 실제 시스템을 구현하려면 극복해야 할 물리적 한계가 존재하며, 특히 광자 손실(Photon Loss)과 코히어런스(Coherence) 제약은 구조적으로 해결해야 할 핵심 문제다.
1. 광자 손실: 레이저 기반 양자 연산의 근본적 난제
광자 손실은 광자 기반 양자 연산에서 가장 심각한 문제 중 하나로, 광자 큐비트가 연산 과정에서 사라지거나 감쇠되는 현상을 의미한다.
1) 광자 손실이 왜 치명적인가?
광자는 물질에 비해 상호작용이 약하기 때문에, 정보 전달 과정에서 조금만 결함이 있어도 경로 이탈, 흡수, 산란이 발생할 가능성이 크다. 문제는 큐비트 하나가 손실되는 것이 전체 연산의 붕괴로 이어질 수 있다는 점이다.
특히 광자 기반 게이트는 일반적으로 확률적(Probabilistic) 동작을 하기 때문에, 광자가 하나라도 손실되면 연산의 성공 확률이 급격히 떨어진다. 이 때문에 고정밀 광자 생성기, 낮은 손실률의 광학 소자, 고효율 검출기가 필수적이다.
2) 손실의 주요 원인
- 광자 생성기 효율 부족
- 광학 섬유나 웨이브가이드의 흡수 및 산란
- 비선형 광학 소자의 손실
- 검출기의 미검출(Detection inefficiency)
이들의 합성 손실률이 일정 임계값을 초과할 경우, 양자 오류 정정조차 정상 작동할 수 없게 된다.
2. 코히어런스 제약: 광자 상태 유지의 어려움
광자를 사용하면 상온에서 안정적이라는 장점이 있지만, 광자 간 상호작용 부족과 위상(phase) 유지의 어려움이라는 단점도 공존한다.
1) 상호작용이 약해 게이트 구현이 어렵다
광자 기반 양자 게이트는 대부분 선형 광학 요소(beam splitter, phase shifter)에 의존한다. 그러나 순수한 선형 광학만으로는 보편적 양자 연산이 불가능하며, 비선형 매질을 통한 상호작용은 극도로 약하다.
이 때문에 공정을 확률적으로 반복해야 하며, 이는 시스템 규모를 크게 증가시키고 손실을 더욱 가속한다.
2) 위상 코히어런스 유지 문제
광자 큐비트는 주로 위상(Phase) 또는 편광(Polarization)을 정보로 사용한다.
하지만 광학 경로가 조금만 흔들리거나 온도 변화가 발생해도 위상 노이즈가 발생한다.
예를 들어:
- 1mm 정도의 경로 변화만 있어도 위상 정보가 완전히 무의미해질 수 있다.
- 온도 변화로 인해 굴절률이 미세하게 변하면 위상 차이가 즉시 누적된다.
따라서 정밀한 간섭계 기반 실험 환경이 필수적이며, 장기적으로 안정된 양자 연산 시스템을 구축하는 데 큰 어려움이 생긴다.
3. 시간 지연과 동기화 문제: 실용적 장애물
광자 기반 양자 회로에서는 개별 광자들의 도착 시간을 맞추는 것이 핵심이다.
그러나 광자 소스와 광학 회로는 완벽하게 동기화되지 않기 때문에 다음 문제가 발생한다.
- 광자 생성 타이밍 지연
- 경로 길이 차이로 발생하는 위상 mismatch
- 큐비트 간 얽힘 생성 실패
이는 특히 대규모 연산에서 큰 병목 현상을 야기한다.
4. 극복을 위한 연구 방향
레이저 기반 양자 연산의 물리적 한계를 해결하기 위해 여러 접근이 시도되고 있다.
1) 광자 손실 억제 기술
- 초저손실 광학 섬유 및 웨이브가이드 개발
- 통합 광자 칩(Photonic Integrated Circuit)으로 경로 단축
- 고효율 단일광자 검출기(SNSPD 등)
2) 안정적 위상 유지 기술
- 실시간 위상 피드백 시스템
- 온도 안정화 장치(Thermal stabilization)
- 투과형 비선형 광학소자를 활용한 상호작용 강화 기술
3) 오류 정정 기반 보정
- GKP 코드 등 연속변수 광자 방식의 오류 정정 기술
- 클러스터 상태 기반 측정 주도형 양자컴퓨팅(MBQC)
이러한 기술이 통합되면 손실과 코히어런스 제약을 극복하며 실용적 양자 연산이 가능해질 것으로 기대된다.
정리
레이저 기반 양자 연산은 차세대 양자 컴퓨팅 플랫폼으로 주목받고 있지만, 광자 손실과 코히어런스 제약은 여전히 해결해야 할 본질적 물리 문제이다. 이러한 한계를 극복하기 위한 기술적 진전이 빠르게 이루어지고 있으며, 향후 통합 광자 회로와 오류 정정 기술이 발전함에 따라 실용적인 광자 기반 양자 컴퓨터 구현이 현실에 한 발 더 가까워질 것으로 보인다.