양자 얽힘(Quantum Entanglement)은 양자 컴퓨팅과 양자 통신의 핵심 자원이다. 양자 얽힘을 멀리 떨어진 노드 간에 분배함으로써 양자 텔레포테이션, 양자 키 분배(QKD), 분산 양자 컴퓨팅 등이 가능하다. 그러나 실제 네트워크에서 얽힘을 분배하는 과정은 통신 채널의 물리적 한계에 의해 제약된다. 광자 기반 채널에서 발생하는 손실, 잡음, 디코히어런스는 얽힘 분배 속도와 신뢰도를 제한하며, 대규모 양자 네트워크 구축의 가장 큰 난제로 여겨진다.
1. 얽힘 분배의 기본 원리
양자 얽힘 분배는 일반적으로 다음 두 단계로 이루어진다.
- 얽힘 생성(Entanglement Generation)
- 소스에서 두 개의 광자 또는 큐비트가 얽힌 상태를 생성
- 예: |Φ⁺⟩ = (|00⟩ + |11⟩)/√2
- 얽힘 전달(Entanglement Distribution)
- 광자 또는 큐비트를 양자 채널을 통해 멀리 있는 노드로 전송
- 전송 과정에서 손실, 위상 변동, 디코히어런스 발생
여기서 핵심 과제는 전송 과정에서 얽힘을 최대한 보존하면서, 높은 확률로 성공시키는 것이다.
2. 통신 채널 제한과 주요 문제
(1) 광자 손실
- 광자 기반 채널에서는 거리 L에 따라 손실이 지수적으로 증가
- 단일 광자 얽힘 분배에서 성공 확률 P_success ≈ η(L), η(L) = exp(-αL), α: 손실 계수
- 장거리 얽힘 분배는 실질적으로 불가능할 수 있음
(2) 디코히어런스
- 광자 외에도 원자 큐비트, 이온 트랩 큐비트 등도 환경 상호작용에 의해 코히어런스가 줄어듦
- 얽힘 상태가 통신 지연 동안 열화될 수 있음
- 고속 전송과 지연 최소화가 필수적
(3) 잡음과 간섭
- 통신 채널에서 발생하는 열 잡음, 상호간섭, 스펙트럼 혼선 등은 얽힘 fidelity를 저하시킴
- 낮은 fidelity 상태는 후속 양자 연산이나 텔레포테이션에서 오류를 유발
3. 얽힘 분배를 위한 기술적 접근
1) 양자 중계기(Quantum Repeater)
장거리 채널 손실 문제를 해결하기 위해 도입됨.
- 채널을 여러 구간(segment)으로 나누고, 각 구간에서 얽힘 생성 및 증폭
- 중계기에서 얽힘 정화(entanglement purification) 및 스왑(entanglement swapping) 수행
- 성공률과 fidelity를 동시에 향상 가능
2) 얽힘 정화(Entanglement Purification)
- 여러 저품질 얽힘 쌍을 활용하여 하나의 고품질 얽힘 쌍을 생성
- 잡음과 손실에 강건하게 만들어 텔레포테이션이나 QKD에 활용
3) 시간-빈도 다중화(Multiplexing)
- 광자 여러 개를 병렬 전송하여 성공률 향상
- 시간 또는 주파수 도메인에서 다중화 가능
- 중계기 및 정화 회로와 함께 사용하면 전송 거리와 속도 개선
4. 실험적 제약
- 중계기 노드와 얽힘 소스의 안정성 필요
- 광자 검출 효율과 timing jitter가 전체 분배 성공률에 직접 영향
- 장거리(수백 km 이상) 분배에서는 광자 손실과 채널 코히어런스 유지가 가장 큰 난제
최근 연구에서는 위성 기반 얽힘 분배를 통해 수천 km 거리에서 얽힘 분배를 시도하고 있으며, 양자 인터넷 구축을 위한 핵심 실험 단계에 있다.
5. 결론
양자 얽힘 분배는 양자 네트워크와 분산 양자 컴퓨팅의 근간이지만, 통신 채널의 물리적 한계—광자 손실, 디코히어런스, 잡음—에 의해 심각한 제약을 받는다. 이를 극복하기 위해 양자 중계기, 얽힘 정화, 다중화 기술이 필수적으로 요구된다. 향후 장거리 얽힘 분배를 안정화하고 대규모 양자 인터넷을 구현하는 연구가 양자 통신과 분산 양자 컴퓨팅 발전의 핵심이 될 전망이다.