KR102017839B1 - 반사실적 양자 벨 상태 분석 방법, 장치 및 시스템 - Google Patents

반사실적 양자 벨 상태 분석 방법, 장치 및 시스템 Download PDF

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KR102017839B1
KR102017839B1 KR1020180034482A KR20180034482A KR102017839B1 KR 102017839 B1 KR102017839 B1 KR 102017839B1 KR 1020180034482 A KR1020180034482 A KR 1020180034482A KR 20180034482 A KR20180034482 A KR 20180034482A KR 102017839 B1 KR102017839 B1 KR 102017839B1
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Abstract

반사실적 양자 벨 상태 분석 시스템, 장치 및 방법에 관한 것으로 반사실적 양자 벨 상태 분석 장치는, 광자를 전달 받는 반사실적 CNOT 게이트, 상기 반사실적 CNOT 게이트와 일 경로를 통해 연결되고 광자를 편광하고 분광하는 제1 편광 빔 스플리터 및 상기 제1 편광 빔 스플리터에서 방출되는 광의 편광 상태에 따라서 광자를 검출하거나 또는 검출하지 않는 복수의 제1 검출기를 포함하며, 상기 복수의 제1 검출기 중에서 광자를 검출한 검출기에 따라서 벨 상태가 결정될 수 있다.

Description

반사실적 양자 벨 상태 분석 방법, 장치 및 시스템{METHOD, APPARATUS AND SYSTEM FOR ANALYSIZING OF COUNTERFACTUAL BELL STATES}
반사실적 양자 벨 상태 분석 방법, 장치 및 시스템에 관한 것이다.
복수의 장치가 존재하는 상황에서, 두 개의 비트를 단일 큐빗을 이용하여 전송하는 고밀집 코딩(super-dense coding)이나 종래의 채널을 통하여 알려지지 않은 큐빗을 전송하는 양자 텔레포테이션(quantum teleportation) 등과 같은 양자 통신 프로토콜에서 벨 상태 분석은 매우 중요한 단계이다. 그러므로, 이와 같은 양자 통신 프로토콜을 최대한 이용하기 위해서는 완벽한 벨 상태 분석이 수행되어야 한다. 그러나, 완전한 벨 상태 분석은 오직 선형적인 방법만을 이용해서는 불가능하다는 것이 증명되었다. 선형 벨 상태 분석으로 얻을 수 있는 최대한의 효율은 50%에 불과하다.
종래에는 벨 상태의 분석(네 개의 최대로 얽힌 벨 상태 사이를 구분하기 위한 분석)은 얽힌 입자(entangled particles)에 대한 결합 측정(joint measurement) 방법을 이용하였다. 그러나, 해당 장치나 시스템이 상호 공간적으로 분리되어 있는 경우에는, 각각의 장치나 시스템이 이와 같은 결합 측정 방법을 수행하는 것은 불가능하다는 문제점이 존재했다.
대한민국 공개특허 제2017-0078728호
벨 상태(Bell state)를 명확하게 구분/식별할 수 있는 반사실적 양자 벨 상태(counterfactual bell states) 분석 방법, 장치 및 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
공간적으로 분리된 집단들에 대해서도 벨 상태 분석을 수행할 수 있게 하는 반사실적 양자 벨 상태 분석 방법, 장치 및 시스템을 제공하는 것을 다른 해결하고자 하는 과제로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 반사실적 양자 벨 상태 분석 방법, 장치 및 시스템이 제공된다.
반사실적 양자 벨 상태 분석 장치는, 광자를 전달 받는 반사실적 CNOT 게이트; 상기 반사실적 CNOT 게이트와 일 경로를 통해 연결되고 광자를 편광하고 분광하는 제1 편광 빔 스플리터; 및 상기 제1 편광 빔 스플리터에서 방출되는 광의 편광 상태에 따라서 광자를 검출하거나 또는 검출하지 않는 복수의 제1 검출기;를 포함하되, 상기 복수의 제1 검출기 중에서 광자를 검출한 검출기에 따라서 벨 상태가 결정될 수 있다.
반사실적 양자 벨 상태 분석 장치는, 상기 일 경로와 다른 경로를 통해 상기 반사실적 CNOT 게이트와 연결되고 광자를 편광하고 분광하는 제2 편광 빔 스플리터; 및 상기 제2 편광 빔 스플리터에서 방출되는 광의 편광 상태에 따라서 광자를 검출하거나 또는 검출하지 않는 복수의 제2 검출기;를 더 포함할 수 있다.
상기 반사실적 CNOT 게이트는, 입력된 광자를 편광하여 분광하는 제3 편광 빔 스플리터; 상기 제3 편광 빔 스플리터와 연결되고 제어 비트의 입력 상태에 따라서 일 출력 경로로 광자를 출력하는 수평-반사실적 양자 제논 효과부; 상기 제3 편광 빔 스플리터와 연결되고 제어 비트의 입력 상태에 따라서 다른 출력 경로로 광자를 출력하는 수직-반사실적 양자 제논 효과부;를 포함할 수 있다.
상기 반사실적 CNOT 게이트는, 상기 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 상기 수직 반사실적 양자 제논 효과부와 연결되고, 외부의 다른 단말 장치와 통신 가능한 채널에 연결되는 제4 편광 빔 스플리터;를 더 포함할 수 있다.
상기 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 상기 수직-반사실적 양자 제논 효과부 중 적어도 하나는, 광자를 진입시키거나 또는 광자의 진입을 차단하는 제1 전환 가능 미러; 상기 제1 전환 가능 미러와 연결되고 광자를 편광시키는 제1 전환 가능 편광 회전자; 상기 제1 전환 가능 편광 회전자와 연결되고 전달된 광의 수직 성분 및 수평 성분을 분광하는 제5 편광 빔 스플리터;를 포함할 수 있다.
반사실적 양자 벨 상태 분석 장치는, 광자가 입력되는 제1 편광 빔 스플리터; 상기 제1 편광 빔 스플리터와 연결되고 제어 비트의 입력 상태에 따라서 일 출력 경로로 광자를 출력하는 수평-반사실적 양자 제논 효과부; 상기 수평-반사실적 양자 제논 효과부와 선택적으로 연결되고 광자를 편광하고 분광하는 제2 편광 빔 스플리터; 상기 수평-반사실적 양자 제논 효과부와 선택적으로 연결되고 전달된 광을 상기 편광 빔 스플리터에 제공하는 빔 스플리터; 및 상기 수평 반사실적 양자 제논 효과부를 상기 제2 편광 빔 스플리터 및 상기 빔 스플리터 중 어느 하나와 선택적으로 연결시키는 전환부;를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 편광 빔 스플리터와 연결되고 제어 비트의 입력 상태에 따라서 다른 출력 경로로 광자를 출력하는 수직-반사실적 양자 제논 효과부;를 더 포함하되, 상기 수직-반사실적 양자 제논 효과부는 상기 전환부에 의해 상기 빔 스플리터와 선택적으로 연결될 수 있다.
반사실적 양자 벨 상태 분석 장치는, 상기 제2 편광 빔 스플리터에서 방출되는 광의 편광 상태에 따라서 광자를 검출하거나 또는 검출하지 않는 복수의 검출기;를 더 포함할 수 있다.
반사실적 양자 벨 상태 분석 시스템은, 제1 단말 장치; 및 상기 제1 단말 장치와 공간적으로 분리되고 상기 제1 단말 장치와 상호 얽힌 상태의 광자 및 전자 쌍을 갖는 제2 단말 장치;를 포함하되, 상기 제1 단말 장치는 반사실적 CNOT 게이트에 광자를 전달하여 광자와 전자를 분리 가능하게 하고, 상기 제2 단말 장치는 하다마드 게이트에 제2 단말 장치의 제어 비트를 적용하고, 상기 제1 단말 장치는 반사실적 CNOT 게이트에 광자를 다시 전달하여 반사실적으로 전자의 상태를 결정하고, 반사실적 CNOT 게이트에서 출력되는 광자를 검출하여 벨 상태를 결정할 수 있다.
상기 제1 단말 장치는, 광자를 전달 받는 반사실적 CNOT 게이트; 상기 반사실적 CNOT 게이트와 일 경로를 통해 연결되고 광자를 편광하고 분광하는 제1 편광 빔 스플리터; 및 상기 제1 편광 빔 스플리터에서 방출되는 광의 편광 상태에 따라서 광자를 검출하거나 또는 검출하지 않는 복수의 제1 검출기;를 포함하되, 상기 복수의 제1 검출기 중에서 광자를 검출한 검출기에 따라서 벨 상태가 결정될 수 있다.
상기 반사실적 CNOT 게이트는, 입력된 광자를 편광하여 분광하는 제3 편광 빔 스플리터; 상기 제3 편광 빔 스플리터와 연결되고 제어 비트의 입력 상태에 따라서 일 출력 경로로 광자를 출력하는 수평-반사실적 양자 제논 효과부; 상기 제3 편광 빔 스플리터와 연결되고 제어 비트의 입력 상태에 따라서 다른 출력 경로로 광자를 출력하는 수직-반사실적 양자 제논 효과부;를 포함할 수 있다.
상기 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 상기 수직-반사실적 양자 제논 효과부 중 적어도 하나는, 광자를 진입시키거나 또는 광자의 진입을 차단하는 제1 전환 가능 미러; 상기 제1 전환 가능 미러에 연결되고 광자를 편광시키는 제1 전환 가능 편광 회전자; 상기 제1 전환 가능 편광 회전자와 연결되고 전달된 광의 수직 성분 및 수평 성분을 분광하는 제5 편광 빔 스플리터;를 포함할 수 있다.
반사실적 양자 벨 상태 분석 시스템은, 제1 단말 장치; 및 상기 제1 단말 장치와 공간적으로 분리되고 상기 제1 단말 장치와 채널을 통해 연결되며 상기 제1 단말 장치와 상호 얽힌 상태의 광자 및 전자 쌍을 갖는 제2 단말 장치;를 포함하되, 상기 제1 단말 장치는, 광자가 입력되는 제1 편광 빔 스플리터; 상기 제1 편광 빔 스플리터와 연결되고 제어 비트의 입력 상태에 따라서 일 출력 경로로 광자를 출력하는 수평-반사실적 양자 제논 효과부; 상기 수평-반사실적 양자 제논 효과부와 선택적으로 연결되고 광자를 편광하고 분광하는 제2 편광 빔 스플리터; 상기 수평-반사실적 양자 제논 효과부와 선택적으로 연결되고 전달된 광을 상기 편광 빔 스플리터에 제공하는 빔 스플리터; 상기 수평 반사실적 양자 제논 효과부를 상기 제2 편광 빔 스플리터 및 상기 빔 스플리터 중 어느 하나와 선택적으로 연결시키는 전환부; 및 상기 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 상기 채널에 연결되는 제3 편광 빔 스플리터;를 더 포함할 수 있다.
양자 벨 상태 분석 방법은, 제1 단말 장치가 반사실적 CNOT 게이트에 광자를 전송하여 광자와 전자가 반사실적으로 분리 가능한 상태로 만드는 단계; 제2 단말 장치가 하다마드 게이트에 제어 비트를 적용하는 단계; 제1 단말 장치가 상기 반사실적 CNOT 게이트에 광자를 다시 전송하여 전자의 상태를 반사실적으로 결정하는 단계; 광자가 검출기에 의해 감지되는 단계; 및 상기 감지 결과에 대응하여 벨 상태가 결정되는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 광자는 목표 비트로 동작하고 상기 전자는 제어 비트로 동작할 수 있다.
상기 광자가 검출기에 의해 감지되는 단계는, 상기 반사실적 CNOT 게이트에서 출력된 광자가 편광 빔 스플리터에 의해 편광 및 분광되는 단계; 복수의 검출기 중 어느 하나의 검출기에 편광 빔 스플리터에서 방출된 광자가 도달하는 단계; 및 상기 어느 하나의 검출기에 의해 광자가 감지되는 단계;를 포함할 수 있다.
양자 벨 상태 분석 방법은, 제1 편광 빔 스플리터가 입력단과 연결되고 입력된 광자가 상기 제1 편광 빔 스플리터에 제공되는 단계; 상기 제1 편광 빔 스플리터에 의해 편광 및 분광된 광자가 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 수직-반사실적 양자 제논 효과부 중 적어도 하나에 전달되는 단계; 상기 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 상기 수직-반사실적 양자 제논 효과부 중 적어도 하나가 빔 스플리터와 연결되고, 상기 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 상기 수직-반사실적 양자 제논 효과부 중 적어도 하나에 전달된 광자가 상기 빔 스플리터에 전달되는 단계; 및 상기 빔 스플리터가 상기 제1 편광 빔 스플리터와 연결되고, 상기 빔 스플리터가 광자를 상기 제1 편광 빔 스플리터와 연결되는 단계;를 포함할 수 있다.
양자 벨 상태 분석 방법은, 상기 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 상기 수직-반사실적 양자 제논 효과부가 각각 제2 편광 빔 스플리터 및 제3 편광 빔 스플리터와 연결되는 단계; 상기 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 상기 수직-반사실적 양자 제논 효과부 중 적어도 하나로부터 상기 제2 편광 빔 스플리터 및 상기 제3 편광 빔 스플리터 중 적어도 하나에 광자가 제공되는 단계; 및 상기 제2 편광 빔 스플리터 및 상기 제3 편광 빔 스플리터 중 적어도 하나에서 방출된 광자가 어느 하나의 검출기에 의해 검출되는 단계;를 더 포함할 수 있다.
양자 벨 상태 분석 방법은, 제1 편광 빔 스플리터가 입력단과 연결되고 입력된 광자가 상기 제1 편광 빔 스플리터에 제공되는 단계; 상기 제1 편광 빔 스플리터에 의해 편광 및 분광된 광자가 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 수직-반사실적 양자 제논 효과부 중 적어도 하나에 전달되는 단계; 상기 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 상기 수직-반사실적 양자 제논 효과부가 각각 제2 편광 빔 스플리터 및 제3 편광 빔 스플리터와 연결되는 단계; 상기 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 상기 수직-반사실적 양자 제논 효과부 중 적어도 하나로부터 상기 제2 편광 빔 스플리터 및 상기 제3 편광 빔 스플리터 중 적어도 하나에 광자가 제공되는 단계; 및 상기 제2 편광 빔 스플리터 및 상기 제3 편광 빔 스플리터 중 적어도 하나에서 방출된 광자가 어느 하나의 검출기에 의해 검출되는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상술한 반사실적 양자 벨 상태 분석 방법, 장치 및 시스템에 의하면, 벨 상태를 명확하고 확실하게 구분, 식별, 판단 및 분석할 수 있게 되는 효과를 얻을 수 있다.
상술한 반사실적 양자 벨 상태 분석 방법, 장치 및 시스템에 의하면, 연쇄 양자 제논 효과(chained quantum Zeno effect)를 기반으로 채널을 통해 이동하는 물리적 입자(particle)의 존재 없이도 공간적으로 분리된 대상(예를 들어, 단말 장치)이 벨 상태를 구별하여 분석할 수 있게 되는 효과도 얻을 수 있다.
상술한 반사실적 양자 벨 상태 분석 방법, 장치 및 시스템에 의하면, 벨 상태를 명확하게 판단할 수 있게 되므로 고 밀집 코딩이나 양자 텔레포테이션 등을 보다 간단하게, 정확하게 및/또는 효율적으로 구현 가능하게 될 수 있으며, 또한 채널을 통해 이동하는 입자의 부재가 하므로 양자 암호화의 보안성을 더욱 강화할 수 있게 되는 효과도 얻을 수 있다.
도 1은 반사실적 양자 벨 상태 분석 시스템의 일 실시예에 대한 개요도이다.
도 2는 반사실적 양자 벨 상태 분석 장치의 일 실시예에 대한 블록도이다.
도 3은 반사실적 양자 벨 상태 분석 방법의 일례를 설명하기 위한 도표이다.
도 4는 반사실적 CNOT 게이트의 일 실시예에 대한 블록도이다.
도 5에 도시된 것은 마이켈슨 수평(수직)-반사실적 양자 제논 효과부(Michelson H(V)-CQZE setup, Michelson Horizontal(Vertical)-Counterfactual Quantum Zeno Effect)의 구조의 일례를 설명하기 위한 블록도이다.
도 6은 마이켈슨 I-반사실적 양자 제논 효과부의 동작을 설명하기 위한 도표이다.
도 7은 반사실적 벨 상태 분석의 피드백 시스템의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 8은 이상적인 채널 조건 하에서 각각의 벨 상태에 대응하는 성공 확률의 일례를 도시한 제1 도이다.
도 9는 이상적인 채널 조건 하에서 각각의 벨 상태에 대응하는 성공 확률의 일례를 도시한 제2 도이다.
도 10은 반사실적 양자 벨 상태 분석 방법의 일 실시예에 대한 흐름도이다.
도 11은 반사실적 양자 벨 상태 분석 방법의 일 실시예에 대한 흐름도이다.
이하 명세서 전체에서 동일 참조 부호는 특별한 사정이 없는 한 동일 구성요소를 지칭한다. 이하에서 사용되는 '부'가 부가된 용어는, 소프트웨어 또는 하드웨어로 구현될 수 있으며, 실시예에 따라 '부'가 하나의 부품으로 구현되거나, 하나의 '부'가 복수의 부품들로 구현되는 것도 가능하다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 어떤 부분과 다른 부분에 따라서 물리적 연결을 의미할 수도 있고, 또는 전기적으로 연결된 것을 의미할 수도 있다.
또한, 어떤 부분이 다른 부분을 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 부분 이외의 또 다른 부분을 제외하는 것이 아니며, 설계자의 선택에 따라서 또 다른 부분을 더 포함할 수 있음을 의미한다.
제 1 이나 제 2 등의 용어는 하나의 부분을 다른 부분으로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 특별한 기재가 없는 이상 이들이 순차적인 표현을 의미하는 것은 아니다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
이하 도 1 내지 도 9를 참조하여 양자 벨 상태 분석 시스템 및 장치의 여러 실시예에 대해서 설명하도록 한다.
도 1은 반사실적 양자 벨 상태 분석 시스템의 일 실시예에 대한 개요도이다.
도 1에 도시된 바를 참조하면, 양자 벨 상태 분석 시스템(1)은, 일 실시예에 있어서, 서로 물리적으로 분리되고 공간적으로 이격되어 존재하는 두 개의 단말 장치(10, 20)를 포함할 수 있다.
두 개의 단말 장치(10, 20, 이하 각각 제1 단말 장치(10) 및 제2 단말 장치(20)라 칭함)는 양자 벨 상태 분석 장치로 동작할 수 있다. 다시 말해서 제1 단말 장치(10) 및 제2 단말 장치(20) 각각은 후술하는 양자 벨 상태 분석을 위한 실시예들(110, 120, 130, 210) 중 적어도 하나를 채용하여 구현된 것일 수 있으며, 이에 따라 제1 단말 장치(10) 및 제2 단말 장치(20)에 의한 양자 벨 상태의 분석이 수행될 수 있다. 도 1에는 오직 두 개의 단말 장치(10, 20)만이 도시되어 있으나 단말 장치(10, 20) 개수는 이에 한정되지 않는다. 필요에 따라 양자 벨 상태 분석 시스템(1)은 셋 이상의 단말 장치(미도시)를 포함하는 것도 가능하다.
제1 단말 장치(10, 이는 통상 ALICE로 지칭될 수도 있다) 및 제2 단말 장치(20, 이는 통상 Bob으로 지칭될 수도 있다)는, 일 실시예에 의하면, 양자 통신을 수행할 수 있는 소정의 장치를 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 제1 단말 장치(10) 및 제2 단말 장치(20) 중 적어도 하나는, 양자 통신을 수행 가능하게 마련된 통신 장치나, 컴퓨터 장치 등과 같은 각종 전자 장치를 이용하여 구현될 수 있다.
제1 단말 장치(10) 및 제2 단말 장치(20) 각각은, 제1 양자 통신 수행부(11) 및 제2 양자 통신 수행부(21)를 포함할 수 있다. 제1 양자 통신 수행부(11) 및 제2 양자 통신 수행부(21) 사이에는 상호 소정의 채널(2)이 형성되고, 제1 양자 통신 수행부(11) 및 제2 양자 통신 수행부(21)는, 채널(2)을 통해 양자 통신을 수행한다. 예를 들어, 제1 양자 통신 수행부(11) 및 제2 양자 통신 수행부(21)는, 예를 들어, 초고밀도 코딩(superdense coding)이나 양자 전송(quantum teleportation) 등과 같은 다양한 양자 통신 프로토콜을 기반으로, 채널(2)을 통하여 양자 통신을 수행할 수 있다. 여기서, 소정의 채널(2)은 전통적인 채널(예를 들어, 광 케이블 등과 같은 유/무선 통신 네트워크 등)을 포함할 수 있다. 이에 따라 제1 단말 장치(10) 및 제2 단말 장치(20) 사이의 양자 통신이 수행될 수 있게 된다.
제1 양자 통신 수행부(11) 및 제2 양자 통신 수행부(21) 상호 간에 상술한 초고밀도 코딩이나 양자 전송과 같은 양자 프로토콜을 이용하여 양자 통신을 수행하기 위해서는 벨 상태의 분석이 요구된다.
일 실시예에 의하면, 제1 양자 통신 수행부(11) 및 제2 양자 통신 수행부(21) 중 적어도 하나는, 물리적 입자(예를 들어, 광자)의 전송 없이, 연쇄 양자 제논 효과를 이용하여 반사실적 벨 상태 분석을 수행하도록 마련된다. 이 경우, 제1 양자 통신 수행부(11) 및 제2 양자 통신 수행부(21) 중 적어도 하나는 네 개(또는 그 미만)의 벨 상태를 명확하게 구분하여 벨 상태를 분석할 수 있도록 마련된 것일 수 있다. 여기서, 양자 제논 효과는, 벨 상태에 대한 주기적인 측정에 따른 양자 상태 사이의 방해를 의미한다. 이 경우, 만약 측정 사이의 시간이 충분히 짧다면, 양자 상태는 보통 초기 상태로 붕괴된다. 만약 서로 이격된 장치(10, 20 및/또는 11, 21)가 얽혀진 쌍의 양자나 전자를 가지고 있고, 각각의 장치(10, 20 및/또는 11, 21)가 양자 제논 효과를 기반으로 벨 상태 분석을 수행한다면, 양자 채널에서 광자를 발견할 확률이 1이 된다.
일 실시예에 의하면, 제1 단말 장치(10) 및 제2 단말 장치(20) 중 적어도 하나는 반사실적 CNOT 게이트(CCNOT, Counterfactual Controlled NOT gate, 도 2의 110, 150)를 포함할 수 있으며, 제1 단말 장치(10) 및 제2 단말 장치(20) 중 적어도 하나는 반사실적 CNOT 게이트를 이용하여 반사실적 벨 상태 분석을 수행하도록 마련된 것일 수 있다. 반사실적 CNOT 게이트(110, 150)의 기본적인 아이디어는 직접적인 반사실적 양자 통신(direct counterfactual quantum communication)이다. 반사실적 양자 통신에서 제어 비트는 두 개의 직교 상태의 중첩을 가질 수 있는 양자 흡수체(quantum absorptive object)로 동작할 수 있다
구체적으로 제1 단말 장치(10) 및 제2 단말 장치(20)는 상호 얽혀있는 전자(electron) 및 광자(photon) 쌍을 가질 수 있다. 이와 같이 전자 및 광자 쌍을 갖는 경우, 제1 단말 장치(10) 및 제2 단말 장치(20) 중 어느 하나, 일례로 제1 단말 장치(10)는 반사실적 CNOT 게이트(CCNOT, Counterfactual Controlled NOT gate, 도 2의 110, 150)에 자신의 광자를 전달하여 광자와 전자를 분리 가능한 상태로 만들 수 있다. 여기서, 광자는 목표 비트(target bit)로 동작하고, 전자는 제어 비트(control bit)로 동작하게 된다. 다른 하나, 일례로 제2 단말 장치(20)는 제2 단말 장치(20)의 하다마드 게이트(Hadamard gate)에 제2 단말 장치(20)의 제어 비트를 적용한다. 하다마드 게이트 이후에, 제1 단말 장치(10)는 반사실적 CNOT 게이트(도 2의 150)에 양자를 다시 통과시켜 전자의 상태를 반사실적으로 결정한다. 광자는 반사실적 CNOT 게이트의 출력단에서 하나 또는 둘 이상의 검출기(도 2의 109a 내지 109d)에 의해 검출되고, 이에 따라 제1 단말 장치(10)는 초기 벨 상태를 확실하게 추정할 수 있게 된다. 한편, 이 경우, 제2 단말 장치(20)는 하다마드 게이트 이후, 전자의 상태를 측정하고, 측정한 전자의 상태를 소정의 채널(2, 예를 들어, 전통적인 채널)을 통하여 제1 단말 장치(10)로 전달하여, 제1 단말 장치(10)가 벨 상태들을 구별할 수 있도록 할 수도 있다. 상술한 동작은 제1 단말 장치(10) 및 제2 단말 장치(20) 각각의 제1 양자 통신 수행부(11) 및 제2 양자 통신 수행부(21)에 의해 수행되도록 설계될 수 있다. 상술한 동작에 대한 자세한 설명은 후술하도록 한다.
제1 단말 장치(10) 및 제2 단말 장치(20) 각각은 제1 양자 통신 수행부(11) 및 제2 양자 통신 수행부(21) 외에도 필요한 각종 부품을 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 제1 단말 장치(10) 및 제2 단말 장치(20) 각각은, 중앙 처리 장치(CPU, Central Processing Unit)나 애플리케이션 프로세서(AP, Application Processor) 등과 같은 하나 또는 둘 이상의 프로세서를 더 포함할 수도 있다. 또한, 제1 단말 장치(10) 및 제2 단말 장치(20) 각각은 프로그램이나 데이터 등을 저장하기 위한 기억 장치(예를 들어, 주기억장치나 보조기억장치)를 더 포함할 수도 있다.
이하 도 2 내지 도 7을 참조하여 반사실적 양자 벨 상태 분석 장치에 대해 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2는 반사실적 양자 벨 상태 분석 장치의 일 실시예에 대한 블록도이고, 도 3은 반사실적 양자 벨 상태 분석 방법의 일례를 설명하기 위한 도표이다.
도 2의 CCNOT 게이트는 반사실적 CNOT 게이트의 약칭이고, BS는 빔 스플리터(Beam Splitter)의 약칭이다. PBS는 편광 빔 스플리터(Polarizing Beam Splitter)를 의미한다. H는 하다마드 게이트를 의미한다. D는 검출기를 의미하고, V는 수직 방향으로 편광된 광자를 의미한다.
반사실적 양자 벨 상태 분석 장치(100)는, 상술한 제1 단말 장치(10)일 수도 있고, 제2 단말 장치(20)일 수도 있으며, 제1 단말 장치(10) 및 제2 단말 장치(20) 중 어느 하나에 마련된 양자통신수행부(11, 21)일 수도 있다. 또한, 반사실적 양자 벨 상태 분석 장치(100)는 제1 단말 장치(10) 및 제2 단말 장치(20)의 조합으로 구현된 것일 수도 있다.
도 2에 도시된 바에 의하면, 반사실적 양자 벨 상태 분석 장치(100)는 일 실시예에 있어서, 적어도 두 개의 반사실적 CNOT 게이트(110, 150, 이하 제1 반사실적 CNOT 게이트(110) 및 제2 반사실적 CNOT 게이트(150)로 칭함)를 포함할 수 있다. 반사실적 CNOT 게이트(110, 150)를 이용하는 경우, 물리적 입자를, 제2 단말 장치(20)의 얽힌 입자가 양자 흡수체로 동작하는 채널을 통해 전송하지 않고도, 벨 상태에 대한 분석이 가능해진다. 광자는 제1 반사실적 CNOT 게이트(110)에 입력된다. 반사실적 CNOT 게이트(110, 150)의 구체적인 실시예에 대해선 후술한다.
반사실적 양자 벨 상태 분석 장치(100)는, 제1 반사실적 CNOT 게이트(110) 및 제2 반사실적 CNOT 게이트(150) 사이에 마련되고, 제1 반사실적 CNOT 게이트(110)와 두 개의 경로(path)로 연결되고 제2 반사실적 CNOT 게이트(150)와 하나의 경로로 연결되는 빔 스플리터(101)를 포함할 수도 있다. 일 실시예에 따르면, 빔 스플리터(101)는 입사된 광자를 50 대 50으로 분광하도록 마련된 것일 수 있다.
또한, 반사실적 양자 벨 상태 분석 장치(100)는, 제2 반사실적 CNOT 게이트(150)와 연결된 어느 하나의 경로(a)와 연결되는 제1 편광 빔 스플리터(108a)와, 제1 편광 빔 스플리터(108a)에서 전달되는 광자를 검출 가능한 적어도 하나의 검출기(109a, 109b)와, 제2 반사실적 CNOT 게이트(150)와 연결된 다른 하나의 경로(b) 말단에 형성된 제2 편광 빔 스플리터(108b)와, 제2 편광 빔 스플리터(108b)에서 전달되는 적어도 하나의 검출기(109c, 109d)를 포함할 수도 있다. 일 실시예에 의하면, 반사실적 양자 벨 상태 분석 장치(100)는 네 개의 검출기(109a 내지 109d)를 포함할 수 있으며, 이 중 두 개의 검출기(109a, 109b)는 제1 편광 빔 스플리터(108a)의 광자를 검출하고, 다른 두 개의 검출기(109c, 109d)는 제2 편광 빔 스플리터(108b)의 광자를 검출할 수 있도록 설계 및 배치된다. 네 개의 검출기(109a 내지 109d)는 도 3에 도시된 바와 같이 각각 서로 상이한 상태를 검출함으로써 벨 상태가 서로 명확히 구분되어 판단될 수 있도록 마련된 것일 수 있다. 구체적으로 도 3에 도시된 바를 참조하면, 제2 반사실적 CNOT 게이트(150)와 연결된 어느 하나의 경로(a)를 통해 전달된 광자는 제1 편광 빔 스플리터(108a)에 전달되고, 제1 편광 빔 스플리터(108a)에 의해 편광되면서 분광된다. 만약 광자의 편광 상태가 |V>인 경우라면 광자는 제1 검출기(109a)로 전달되고 제1 검출기(109a)가 광자를 검출한다. 또한, 만약 광자의 편광 상태가 |H>인 경우라면 광자는 제2 검출기(109b)로 전달되어 제2 검출기(109b)가 광자를 검출하게 된다. 만약 제2 반사실적 CNOT 게이트(150)와 연결된 다른 하나의 경로(b)를 통해 광자가 방출되면, 광자는 제2 편광 빔 스플리터(108b)에 의해 편광되면서 분할되고, 제3 검출기(109c) 및/또는 제4 검출기(109d)로 전달된다. 이 경우, 만약 광자의 편광 상태가 |H>인 경우라면 광자는 제3 검출기(109c)로 전달되어 검출되고, 광자의 편광 상태가 |V>인 경우라면 광자는 제4 검출기(109d)로 전달되고 이에 따라 제4 검출기(109d)가 광자를 검출하게 된다. 따라서, 각각의 검출기(109a 내지 109d)에 의한 광자의 검출 여부에 따라서 광자의 편광 상태를 알 수 있으며, 광자의 편광 상태에 따라서 초기 상태(initial state)를 추정할 수 있게 된다.
반사실적 양자 벨 상태 분석 장치(100)는 하다마드 게이트(109)를 포함할 수 있다. 하다마드 게이트(109)에는, 제어 비트로 동작하는 전자가 입력될 수 있다.
상술한 반사실적 양자 벨 상태 분석 장치(100)의 동작에 대해 보다 구체적으로 살펴보면, T1 시점에서, 광자의 편광은 벨 상태가 |Φ±> 또는 |Ψ±>인지 여부를 결정하게 된다(하기의 수학식 4 내지 7 참조). 하다마드 게이트 이후에 제2 단말 장치(20)는 반사실적으로 전통적인 정보(|0> 또는 |1>)를 전송한다. 이를 위해서 제1 단말 장치(10)는 광자를 입력하고, T2 시점에서 네 개의 검출기(109a 내지 109d) 중 어느 하나는 제1 단말 장치(10)가 보낸 광자를 검출하게 된다. 상술한 바와 같이 광자가 검출된 검출기(109a 내지 109d 중 어느 하나)에 따라서 광자의 편광 상태가 판단되며 초기 벨 상태 역시 판단되게 된다.
이하 반사실적 CNOT 게이트의 일 실시예에 대해 설명한다.
도 4는 반사실적 CNOT 게이트의 일 실시예에 대한 블록도이다.
도 4에서 H-CQZE 및 V-CQZE는 각각은 수평-반사실적 양자 제논 효과(Horizontal-Counterfactual Quantum Zeno Effect) 및 수직- 반사실적 양자 제논 효과(Vertical-Counterfactual Quantum Zeno Effect)의 약칭이고, MR은 미러(Mirror)의 약칭이다.
도 4에 도시된 바를 참조하면, 반사실적 CNOT 게이트(120)는, 입사된 광을 소정의 방향(예를 들어, 수직 방향 및/또는 수평 방향)의 성분으로 분광하는 두 개의 편광 빔 스플리터(121, 127)와, 입력을 그대로 또는 변경시켜 출력하는 반사실적 양자 제논 효과부(124, 125)를 포함할 수 있다. 이 경우, 반사실적 양자 제논 효과부(124, 125)는 두 개의 반사실적 양제 제논 효과부, 즉 수직 반사실적 양자 제논 효과부(124)와, 수평 반사실적 양자 제논 효과부(125)를 포함할 수 있다.
두 개의 편광 빔 스플리터(121, 127) 중 어느 하나의 편광 빔 스플리터(121, 이하 제1 편광 빔 스플리터)는, 수직 반사실적 양자 제논 효과부(124)와, 수평 반사실적 양자 제논 효과부(125)와, 입력(input)과 연결되고, 다른 하나의 편광 빔 스플리터(127, 이하 제2 편광 빔 스플리터)는 수직 반사실적 양자 제논 효과부(124)와, 수평 반사실적 양자 제논 효과부(125)에 연결되고, 또한 제2 단말 장치(2)의 제2 양자 통신 수행부(21)와 연결된 채널(2)에 연결되고, 채널(2)은 제2 양자 통신 수행부(21) 내의 적어도 하나의 스위치(214, 214a) 중에서 적어도 하나의 스위치(214)와 연결된다. 적어도 하나의 스위치(214)는 전달되는 광자를 통과시키거나 또는 차단하는 기능을 수행한다. 적어도 하나의 스위치(214)가 광자를 통과시키는 경우 광자는 제2 양자 통신 수행부(21)에 마련된 미러(212)에 도달하게 된다.
제1 단말 장치(10) 내에서 제1 편광 빔 스플리터(121)에 광자가 전달되면, 광자는 제1 편광 빔 스플리터(121)에 의해 수직 성분 및/또는 수평 성분으로 분리되고, 수직 성분 및/또는 수평 성분은 수직 반사실적 양자 제논 효과부(124) 및 수평 반사실적 양자 제논 효과부(125)로 각각 전달된다.
수직 반사실적 양자 제논 효과부(124) 및 수평 반사실적 양자 제논 효과부(125)에는 출력 경로(c, d)가 각각 형성되어 있다. 광자는, 광자 및 제어 비트(즉, 양자 흡수체)의 입력 상태에 따라서, 출력 경로(c, d) 중 적어도 하나에 존재하거나 또는 출력 경로(c, d) 상에서 중첩 상태로 존재하게 된다. 다시 말해서, 만약 광자가 반사실적 양자 통신이 수행되는 동안에 폐기되지 않는다면, M개의 외부 사이클 및 N개의 내부 사이클 이후에 광자 및 제어 비트의 입력 상태에 따라서, 광자는 출력 경로(c, d) 내에 존재하게 되거나 또는 출력 경로(c, d)에서 중첩 상태를 가지게 된다. M 및 N의 점근선적 한계 하에서는, 광자가 전송 채널(2) 내에서 발견될 확률은 대략 0에 근접하게 된다.
도 4에 도시된 반사실적 CNOT 게이트(120)는 도 2의 반사실적 CNOT 게이트들(110, 150) 중 적어도 하나에 적용될 수 있다.
이하 도 5 및 도 6을 참조하여 반사실적 양자 제논 효과부(124, 125)의 일례로 마이켈슨 수평(수직)-반사실적 양자 제논 효과부(130)에 대해 설명한다. 이 경우, 관련하여, 설명의 중복을 회피하기 위해 마이켈슨 수평(수직)-반사실적 양자 제논 효과부(130)에 수평 성분(H)이 전달된 경우와 수직 성분(V)이 전달된 경우를 각각 별도로 구분하지 않고 통합적으로 설명하도록 한다.
도 5는 마이켈슨 수평(수직)-반사실적 양자 제논 효과부의 구조의 일례를 설명하기 위한 블록도이고, 도 6은 마이켈슨 I-반사실적 양자 제논 효과부의 동작을 설명하기 위한 도표이다.
도 5에서 OC는 광학적 서큘레이터(Optical Circulator)의 약칭이고, SM은 전환 가능 미러(Switchable Mirror)의 약칭이다. SPR은 전환 가능 편광 회전자(Switchable Polarizing Rotator)의 약칭이다.
도 5에 도시된 바를 참조하면, 마이켈슨 수평(수직)-반사실적 양자 제논 효과부(130)는 광학 서큘레이터(131)와, 광학 서큘레이터(131)와 연결된 제1 전환 가능 미러(132)와, 제1 전환 가능 미러(132)와 연결된 제1 수평(수직)-전환 가능 편광 회전자(133)와, 제1 수평(수직)-전환 가능 편광 회전자(133)에서 방출된 광자가 전달되는 제1 편광 빔 스플리터(134)와, 제1 편광 빔 스플리터(134)와 연결되는 제2 전환 가능 미러(135)와, 제2 전환 가능 미러(135)와 연결된 제2 수평(수직)-전환 가능 편광 회전자(136)와, 제2 수평(수직)-전환 가능 편광 회전자(136)와 연결된 제2 편광 빔 스플리터(137)를 포함할 수 있다. 또한, 마이켈슨 수평(수직)-반사실적 양자 제논 효과부(130)는 광학 서큘레이터(131)와 연결되고 전달된 광자를 외부로 출력하는 제1 미러(139-1), 제1 편광 빔 스플리터(134)와 연결된 제2 미러(139-2) 및 제2 편광 빔 스플리터(137)과 연결된 제3 미러(139-3)도 포함할 수도 있다.
광학 서큘레이터(131)는 광의 수평 성분(H) 또는 수직 성분(V)이 전달되고, 특정 방향의 광을 미러(139-1) 방향으로 전달한다. 광학 서큘레이터(131)는 전환 가능 미러(132)의 동작에 따라서 광자의 진입이 차단되는 경우, 광자를 제1 미러(139-1)로 전달하여 광자가 출력되도록 할 수 있다.
전환 가능 미러(132, 135)는 광자의 진입 및 차단을 제어하도록 마련된다. 예를 들어, 전환 가능 미러(132, 135)는 초기에는 오프(Off) 상태를 유지하다가 광자가 진입할 수 있도록 온(ON) 상태로 전환될 수 있다. M (또는 N)개의 사이클 이후에, 전환 가능 미러(132, 135)는 다시 오프 상태가 되어 광자가 외부로 방출되도록 할 수 있다.
수평(수직)-전환 편광 회전자(133, 136)는 각각의 사이클마다 소정의 각으로 광의 성분을 편광시킨다(SM1(2) -> PBSH(V) 1(2)). 예를 들어, 전환 편광 회전자(133, 136)는 하기의 수학식 1로 주어진 각(ΘM (N))만큼의 편광을 수행하도록 설계된 것일 수도 있다.
Figure 112018029837394-pat00001
수학식 1에서 M은 외부 사이클의 개수이고, N은 내부 사이클의 개수이다.
일 실시예에 의하면, 제1 전환 편광 회전자(133)는 본 사이클의 잔여 기간 동안 오프 상태가 될 때까지 제1 양자 통신 수행부(11)의 광자에 하기의 수학식 2 및 수학식 3을 적용하여 편광을 수행할 수도 있다. 여기서, 수학식 2는 수평-전환 편광 회전자에 대한 수식이고, 수학식 3은 수직-전환 편광 회전자에 대한 수식이다.
Figure 112018029837394-pat00002
Figure 112018029837394-pat00003
Θi는 π/(2i)이다. I는 외부 사이클에 대해서는 M의 값을 갖고, 내부 사이클에 대해선 N의 값을 갖는다.
편광 빔 스플리터(134, 137)는 전달된 광의 수직 성분 및/또는 수평 성분을 분리하여 반사시키거나 또는 외부로 방출한다. 제1 편광 빔 스플리터(134)는 제1 전환 편광 회전자(133)로부터 광자를 전달받고, 수직 및/또는 수평 성분의 광을 분리하여 제2 전환 가능 미러(135)로 전달한다. 이 경우, 마이켈슨 반사실적 양자 제논 효과부(130)에 수평 (또는 수직) 광자가 입력된 경우, 편광 빔 스플리터(134, 137)는, 수평 (또는 수직) 광자를 통과시키고 수직 (또는 수평) 광자는 반사시킨다. 다시 말해서, 제1 편광 빔 스플리터(134)는 수평 성분(H)이 입력된 경우 제1 전환 편광 회전자(133)로부터 전달되는 수평 성분(H)은 통과시켜 제2 미러(139-2)로 전달하고, 제1 전환 편광 회전자(133)로부터 전달되는 수직 성분(V)은 제2 전환 가능 미러(135)로 전달한다. 반대로 수직 성분(V)이 입력된 경우 제1 편광 빔 스플리터(134)는 제1 전환 편광 회전자(133)로부터 전달되는 수직 성분(V)은 통과시켜 제2 미러(139-2)로 전달하고, 제1 전환 편광 회전자(133)로부터 전달되는 수평 성분(H)은 제2 전환 가능 미러(135)로 전달한다. 제2 편광 빔 스플리터(137)는 제2 전환 편광 회전자(133)로부터 광자를 전달받고 수직 및/또는 수평 성분의 광을 분리한다. 제2 편광 빔 스플리터(137)도 입력된 성분과 동일한 성분의 광은 통과시키고 상이한 성분의 광은 반사시킨다. 제2 편광 빔 스플리터(137)는 제3 미러(139-3)과 연결될 수 있으며, 또한 제2 양자 통신 수행부(21)와 연결된 채널(2)과도 연결된다.
제2 양자 통신 수행부(21)는 상술한 바와 같이 적어도 하나의 미러(212-1, 제4 미러)와, 적어도 하나의 스위치(214, 214a)를 포함할 수 있으며, 적어도 하나의 스위치(214, 214a) 중 적어도 하나는 채널(2)과 연결된다.
제2 양자 통신 수행부(21)의 말단에서, 제2 양자 통신 수행부(21)는 전자를 양자 흡수체로 채용하여 양자가 채널을 통과하거나 또는 양자가 채널을 통과할 수 없도록 차단한다.
상술한 바와 같이 편광 빔 스플리터(134, 137)가 동작하는 경우, 제2 양자 통신 수행부(21)는 하기의 두 종류의 동작을 수행할 수 있다.
첫째로, 제2 양자 통신 수행부(21)는 양자가 통과하도록 할 수 있으며, 이 경우, 내부 사이클은 외부 사이클에 대한 장애물로써 동작하게 된다. M개의 외부 사이클 이후에, 광자는 |H(V)> 상태로 종료된다. 만약 전송 채널(2) 내에서 양자가 발견되면, 이는 검출기(138)에서 종료된다. M 및 N의 값이 크게 주어진다면, 전송 채널(2) 내에서 양자가 발견될 확률은, 상술한 바와 같이, 0에 근접하게 된다.
둘째로, 제2 양자 통신 수행부(21)는 채널(2)을 차단할 수 있으며, 이 경우 내측 사이클은 외부 사이클에 대해 비차단(non-blocking)으로 동작하게 된다. 만약 광자가 흡수체에 의해 흡수되지 않는다면, M개의 외부 사이클 이후 광자는 |V(H)> 상태가 될 것이다.
이와 같이 전송 채널(2) 내에서 발견된 임의의 광자가 검출기(138)에서 종료되거나, 또는 전자에 의해 흡수된다는 것은 완전한 반사실성(counterfactuality)을 보장하게 된다.
상술한 바와 같이 마이켈슨 수평(수직)-반사실적 양자 제논 효과부(130)가 구현되는 경우, M 및 N의 점근선적 한계 내에서의 수평(수직)-반사실적 양자 제논 효과(130)의 진리 테이블은 도 6과 같이 주어진다.
도 6에서 I는 수직(V) 및 수평(H) 중 어느 하나를 의미하고, I⊥는 수직(V) 및 수평(H) 중 다른 하나를 의미한다. Pass 및 block은 각각 제2 양자 통신 수행부(21)에 의한 양자의 통과 또는 차단 여부를 나타낸다.
도 6에 도시된 바를 참조하면, 수직(V) 및 수평(H)이 모두 0이고, 통과 및 차단 여부도 모두 0인 경우에는 출력 값은 입력 값과 동일하다. I 및 통과만이 1인 경우에도 입력 값과 출력 값은 동일하다. 한편, I 및 차단만이 1인 경우에는 I의 출력은 0이 되고, I⊥의 출력은 1이 되고, I⊥ 및 차단만이 1인 경우에는 이와 반대로 I⊥의 출력은 0이 되고 I의 출력은 1이 된다.
이하 반사실적 벨 상태 분석의 피드백 시스템의 일례를 설명한다.
도 7은 반사실적 벨 상태 분석의 피드백 시스템의 일 실시예를 도시한 도면이다.
반사실적 벨 상태 분석을 위한 피드백 시스템(140)은 도 7에 도시된 바와 같이 일 실시예에 있어서, 입력된 광자가 전달되는 편광 빔 스플리터(141, 이하 제3 편광 빔 스플리터)와, 제3 편광 빔 스플리터(141)로부터 방출되는 광자를 각각 수신하는 수직 반사실적 양자 제논 효과부(143) 및 수평 반사실적 양자 제논 효과부(143)와, 수직 반사실적 양자 제논 효과부(143) 및 수평 반사실적 양자 제논 효과부(143)와 연결되고 또한 외부 채널(2)과 연결된 다른 편광 빔 스플리터(147, 이하 제4 편광 빔 스플리터)와, 수직 반사실적 양자 제논 효과부(143)와 선택적으로 연결되는 다른 편광 빔 스플리터(148a, 이하 제5 편광 빔 스플리터)와, 제5 편광 빔 스플리터(148a)와 연결된 두 개의 검출기(149c, 149d)와, 수평 반사실적 양자 제논 효과부(145와 선택적으로 연결되는 또 른 편광 빔 스플리터(148b 이하 제6편광 빔 스플리터)와, 제6 편광 빔 스플리터(148b)와 연결된 두 개의 검출기(149a, 149b)와, 수직 반사실적 양자 제논 효과부(143) 및 수평 반사실적 양자 제논 효과부(143)와 선택적으로 연결되는 빔 스플리터(141a)를 포함할 수 있다. 여기서, 수직 반사실적 양자 제논 효과부(143) 및 수평 반사실적 양자 제논 효과부(143)는, 제5 편광 빔 스플리터(148a) 및 제6 편광 빔 스플리터(148b)와 연결되거나, 또는, 그렇지 않은 경우에는, 빔 스플리터(141a)와 연결되도록 마련된 것일 수 있다. 또한, 외부 채널(2)은 상술한 바와 같이 제2 단말 장치(21)의 적어도 하나의 스위치(214, 214a)와 직간접적으로 연결될 수 있으며, 적어도 하나의 스위치(214, 214a)의 후단에는 미러(212)가 마련된 것일 수 있다.
반사실적 벨 상태 분석을 위한 피드백 시스템(140)은 복수의 전환부(142a 내지 142c)를 포함할 수 있으며, 전환부(142a 내지 142c)에서는 광자의 전달 방향이 전환될 수 있도록 마련된다. 구체적으로 반사실적 벨 상태 분석을 위한 피드백 시스템(140)에는, 제1 전환부(142a)와, 제2 전환부(142b)와, 제3 전환부(142c)가 마련될 수 있다. 제1 전환부(142a)는 입력된 광자(즉, 도 7의 좌측의 광자)를 제1 편광 빔 스플리터(141)로 전달하거나, 또는 선택적으로 빔 스플리터(141a)에서 전달된 광자를 제1 편광 빔 스플리터(141)로 전달할 수 있다. 제2 전환부(142b) 및 제3 전환부(142c)는, 수직 반사실적 양자 제논 효과부(143) 및 수평 반사실적 양자 제논 효과부(143) 각각을 빔 스플리터(141a)와 연결시키거나 또는 제5 편광 빔 스플리터(148a) 및 제6 편광 빔 스플리터(148b) 각각과 연결시킬 수 있다.
상술한 구조에 따르면, 사실적 벨 상태 분석을 위한 피드백 시스템(140)은 출력에 대한 값을 입력 값으로 피드백 받을 수 있게 된다. 구체적으로 도 7의 T1 시점에서, 제2 전환부(142b) 및 제3 전환부(142c)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 반사실적 양자 제논 효과부(143) 및 수평 반사실적 양자 제논 효과부(143)를, 제5 편광 빔 스플리터(148a) 및 제6 편광 빔 스플리터(148b) 대신에, 빔 스플리터(141a)와 연결시키고, 제1 전환부(142a)는 빔 스플리터(141a)와 제1 편광 빔 스플리터(141)를 연결시킨다. 이에 따라 수직 반사실적 양자 제논 효과부(143) 및 수평 반사실적 양자 제논 효과부(143) 각각에서 출력된 광자는 빔 스플리터(141a)로 전달되고, 빔 스플리터(141a)로 전달되는 광자는, 제1 편광 빔 스플리터(141)로 전달될 수 있게 된다. 따라서, 제1 단말 장치(10)는, 하다마드 게이트 이후의 전자의 상태를 결정하기 위하여 출력을 시스템의 입력 값으로 피드백할 수 있게 된다.
T2 시점(예를 들어, 측정이 필요한 시점)에서는 제2 전환부(142b) 및 제3 전환부(142c)는, 반사실적 양자 제논 효과부(143) 및 수평 반사실적 양자 제논 효과부(143)를, 빔 스플리터(141a) 대신에, 제5 편광 빔 스플리터(148a) 및 제6 편광 빔 스플리터(148b)와 연결시킨다. 따라서, 도 2 및 도 3에서 설명한 바와 동일하게 또는 일부 변형한 방법으로, 제1 단말 장치(10)는 초기 벨 상태를 측정할 수 있게 된다.
반사실적 벨 상태 분석을 위한 피드백 시스템(140)에 의하면, 전자의 존재 또는 부재를 결정할 수 있게 되므로, 전적으로 반사실적으로 벨 상태 분석을 수행할 수 있게 된다.
이하 도 2 내지 도 7을 기반으로 반사실적 벨 상태 분석에 대해 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
제1 단말 장치(10) 및 제2 단말 장치(20)가 광자 및 전자의 얽힌 쌍을 가지고 있고, 전자가 제어 비트로 광자가 목표 비트로 동작하는 경우라면, 벨 상태는 하기의 수학식 4 및 수학식 5와 같이 주어질 수 있다.
Figure 112018029837394-pat00004
Figure 112018029837394-pat00005
여기서, |H>p=|0>p, |V>p =|1>p, |pass>p =|0>p 및 |block>p =|1>p로 정의된다. p와 e는 각각 광자 및 양자를 나타낸다.
반사실적 CNOT 게이트로 광자가 전송된 이후, 만약 광자의 초기 상태가 |Φ±>라면 도 2 또는 도 7의 T1시점에서 광자는 수평적으로 편광되고, 초기 상태가 |Ψ±>라면 광자는 수직적으로 편광된다.
이 경우, 광자 및 전자의 조합된 상태는 하기의 수학식 6 및 수학식 7과 같이 주어진다.
Figure 112018029837394-pat00006
Figure 112018029837394-pat00007
하다마드 게이트 이후, 제1 단말 장치(10)는 전자의 상태가 존재인지 또는 부재인지 여부를 결정하여 |Φ±> 또는 |Ψ±> (또는 |Ψ±> 또는 |Φ±>)를 서로 구분한다. 이 경우, 완전하게 반사실적으로 분석을 수행하기 위해서는 도 7의 피드백 시스템(140)이 채용될 수 있다.
도 2 또는 도 7의 T2 시점에서 광자는 어느 하나의 경로(a) 또는 다른 경로(b)에 있다. 만약 광자가 어느 하나의 경로(a)에 존재한다면, 이 경우에서의 초기 상태는 |Φ±>이고, 다른 하나의 경로(b)에 존재한다면, 이 경우에서의 초기 상태는 |Ψ±>이다. 광자의 편광은 이러한 상태가 |x+> 또는 |x->인지 여부를 결정할 수 있다(여기서, x ∈ {Φ, Ψ})
검출기(109a 내지 109d, 149a 내지 149d) 중 어느 하나는 광자를 검출한다. 상술한 바와 같이 각각의 검출기(109a 내지 109d, 149a 내지 149d)는 벨 상태(예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 |Φ+>, |Φ->, |Ψ+> 및 |Ψ-> 등과 같은 네 개의 상태)에 대응한다. 이에 따라서 서로 상이한 벨 상태는 확실하게 구분될 수 있게 된다. 특히 복수의 자유도 없이도 복수(일례로 네 개)의 벨 상태를 구분할 수 있게 된다. 이는 M과 N이 유한한 값을 갖는 경우에는 참이다.
상술한 바와 같이 전송 채널에서 광자를 발견 할 확률은 M과 N의 점근선 한계 내에서는 0에 접근한다. M과 N이 유한 값을 갖는 경우에도, 전송 채널에서 발견되는 광자는 전자에 의해 흡수되거나 또는 폐기되고, 어떠한 검출기(109a 내지 109d, 149a 내지 149d)도 광자를 검출하지 않는다. 만약 광자가 제거되지 않았다면 복수의 검출기(109a 내지 109d, 149a 내지 149d) 중 어느 하나의 검출기(109a 내지 109d, 149a 내지 149d)가 광자를 검출하여, 공간적으로 분리된 장치(10, 20)가 채널(2)을 통해 물리적 입자를 전송하지 않고 완전한 벨 상태 분석을 수행할 수 있게 된다.
이하 M 및 N이 유한한 값을 갖는 경우에 있어서, 상술한 과정이 참임을 설명하도록 한다. 상술한 바와 같이 반사실적 CNOT의 기본적인 아이디어는 직접적인 반사실적 양자 통신이다. 유한한 값 M 및 N에 대해서, 직접적인 반사실적 양자 통신의 반사실성은 분석 가능하다. 상술한 과정은 오직 전송된 비트(|1>e)의 하나의 값에 대해서만 반사실적이다.
도 8은 이상적인 채널 조건 하에서 각각의 벨 상태에 대응하는 성공 확률의 일례를 도시한 제1 도이고, 도 9는 이상적인 채널 조건 하에서 각각의 벨 상태에 대응하는 성공 확률의 일례를 도시한 제2 도이다.
직접적인 반사실적 양자 통신은, 단일 광자 소스를 이용한 연쇄 양자 제논 효과를 통해 전송된 비트의 양 값에 대한 반사실적 속성을 유지한다. 다중 광자 소스 또는 결맞는 상태(coherent state)의 광의 경우에는, 제2 단말 장치(20)가 광자이 통과되도록 하면(|0>e), 그 반사실성은 보장되지 않는다. 흡수체가 존재하는 경우에는, 전송 채널에서 발견되는 결맞는 상태의 진폭은 흡수체에 의해 흡수될 것이고 어떠한 검출기(109a 내지 109d, 149a 내지 149d)도 검출 결과를 얻기 못할 것이다. 흡수체가 부재하는 경우에는, 전송 채널에서 발견되는 결맞는 상태의 진폭은 검출기(109a 내지 109d, 149a 내지 149d)에서 검출될 수 있으며, 이는 프로토콜의 반사실성을 위반하게 된다.
일 실시예에 의하면, M과 N의 유한 값에 대해 전송된 비트의 값에 대한 반사실성를 보장하기 위해 단일 광자 소스가 사용될 수 있다. 이 경우, 외부 싸이클 (M = 4)에 대해선 1/4 파장판이 이용되고, 내부 싸이클 (N = 2)에 대해선 1/2 파장 판 각각 이용될 수 있다. 이에 따라 수정된 직접적인 반사실적 양자 통신의 전반적인 동작은 상술한 도 4와 동일하다. 유일한 차이점은 제2 단말 장치(20)의 각각의 선택(즉, 전송 채널의 차단 또는 광자 통과의 허용)에 따라 성공 확률이 존재한다는 것이다. 이 경우, 확률은 다음의 수학식 8과 같이 주어질 수 있다.
Figure 112018029837394-pat00008
여기서, j ∈ {M, N}에 대해서, Θj=π/2j이고, Ppass는 제2 단말 장치(20)가 광자를 통과시킬 때의 성공 확률이고, Pblock은 제2 단말 장치(20)가 광자 경로를 차단할 때의 성공 확률이다. y{M,N}은 하기의 수학식 9로 주어진다.
Figure 112018029837394-pat00009
여기서, j ∈ {M, N}에 대해서, x1 = aM, y{1, 0} = bM, aj = cosΘj 및 bj = sinΘj로 정의된다.
유사하게 M과 N의 유한 값에 대한 비사설적 특성의 유지를 위해서는 제1 단말 장치(10) 및 제2 단말 장치(20) 사이의 얽힘 분포의 시점에서 단일 광자 소스가 이용되어야 한다는 조건이 요구된다. 각각의 입력 벨 상태에 대해 유한 값의 M과 N에 대한 성공 확률이 존재한다. 상술한 수학식 4로부터 m(<M) 개의 외부 사이클 이후이 전자 및 광자의 조합된 상태는 하기의 수학식 10과 같이 주어질 수 있다.
Figure 112018029837394-pat00010
M 외부 사이클 이후 광자 및 전자는 수학식 11과 같이 분리된 상태가 된다.
Figure 112018029837394-pat00011
여기서, Pd는 광자가 반사실적 양자 통신 상에서 폐기될 확률이고, π는 전자의 최대한으로 혼합된 상태를 나타낸다.
동일한 과정 이후에 수학식 5는 하기의 수학식 12로 변형될 수 있다.
Figure 112018029837394-pat00012
M 및 N의 점근선적 한계 하에서, 수학식 11 및 수학식 12 각각은 상술한 수학식 6 및 수학식 7과 동일하게 된다.
수학식 10으로부터, 임의의 입력 벨 상태에 대해 광자가 T1 시점까지 폐기되지 않을 확률 Ps는 하기의 수학식 13과 같이 표현된다.
Figure 112018029837394-pat00013
만약 양자가 폐기되지 않았다면, 도 2 또는 도 7의 T2 시점에서 광자는 네 개의 검출기(109a 내지 109d, 149a 내지 149d) 중 어느 하나에 의해 검출되고, 이에 따라 초기 상태가 측정 가능하게 된다. 각각의 벨 상태에 대응하는 성공 확률은 하기의 수학식 14로 주어질 수 있다.
Figure 112018029837394-pat00014
여기서, PD1, PD2, PD3 및 PD4는 각각의 초기 상태 |Φ->, |Φ+>, |Ψ-> 및 |Ψ+>에 대한 성공 확률이다. 이상적인 채널 조건 하에서 상이한 값 M 및 N에 대항하는 성공 확률은 도 8 및 도 9와 같은 형태로 도시될 수 있다. 이 경우, 각각의 벨 상태 및 검출기(109a 내지 109d, 149a 내지 149d)에 대한 상태 변환 행렬은 수학식 15와 같이 주어질 수 있다.
Figure 112018029837394-pat00015
수학식 15를 참조하면, M과 N이 제한된 값인 경우에서조차도, 광자가 반사실적 양자 통신에서 폐기되지 않았다면, 1의 확률로 네 개의 벨 상태 사이를 구분할 수 있게 된다.
이상 설명한 반사실적 양자 벨 상태 분석 시스템 및 장치는, 예를 들어, 양자 컴퓨팅이나 양자 암호화 등과 같은 양자 정보 처리 방법에 적용 가능하다.
이하 도 10 및 도 11을 참조하여 반사실적 양자 벨 상태 분석 방법의 일 실시예에 대해서 설명하도록 한다.
도 10은 반사실적 양자 벨 상태 분석 방법의 일 실시예에 대한 흐름도이다.
도 10에 도시된 반사실적 양자 벨 상태 분석 방법은, 도 1 내지 도 9를 통해 설명한 반사실적 양자 벨 상태 분석 시스템 및/또는 반사실적 양자 벨 상태 분석 장치의 여러 실시예 중 적어도 하나를 이용하여 수행되는 것일 수 있다.
도 10에 도시된 바를 참조하면, 먼저 제1 단말 장치가 반사실적 CNOT 게이트에 광자를 전송하여 제공한다(S40). 이때, 광자와 전자가 반사실적으로 분리 가능한 상태로 만들어진다. 여기서, 광자는 목표 비트로 동작하고 전자는 제어 비트로 동작하게 된다.
제2 단말 장치는 하다마드 게이트에 제어 비트를 적용한다(S41). 제2 단말 장치가 하다마드 게이트에 제어 비트를 적용하는 것은 제1 단말 장치가 반사실적 CNOT 게이트에 광자를 전송하는 것과 동시에 또는 순차적으로 수행될 수 있다.
하다마드 게이트에 제어 비트가 적용된 이후에, 제1 단말 장치는 상기 반사실적 CNOT 게이트에 광자를 다시 전송하고 전자의 상태는 반사실적으로 결정된다(S42).
반사실적 CNOT 게이트는 광자를 출력하고, 반사실적 CNOT 게이트에서 출력된 광자는 편광 빔 스플리터에 전달된다(S43). 편광 빔 스플리터는 광자에 대한 편광 및 분광을 수행한다.
상술한 바와 같이 편광 빔 스플리터에는 적어도 하나의 검출기(예를 들어, 네 개의 검출기)가 마련되어 있으며, 편광 빔 스플리터에서 방출된 광자는 적어도 하나의 검출기 중 어느 하나의 검출기에 도달하게 된다(S44). 광자가 도달한 검출기는, 광자의 도달에 응하여 전기적 신호를 출력하는 등의 방법을 이용하여, 광자의 도달을 검출한다. 광자가 도달하지 않은 검출기는 광자를 검출하지 않는다.
순차적으로 제1 단말 장치의 연산/제어에 이용되는 전자 장치(예를 들어, 중앙 처리 장치 등)는, 검출기의 검출 결과에 대응하여 벨 상태를 결정한다(S45). 구체적으로 예를 들어, 전자 장치는, 도 3에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 검출기 중 어느 검출기가 광자를 검출하였는지에 대한 정보를 획득하고, 획득한 정보에 따라 광자를 검출한 검출기에 대응하는 벨 상태를 결정함으로써, 초기 벨 상태를 결정할 수 있다.
도 11은 반사실적 양자 벨 상태 분석 방법의 다른 실시예에 대한 흐름도이다.
도 11에 도시된 반사실적 양자 벨 상태 분석 방법은, 일 실시예에 있어서, 도 7에서 설명된 피드백 시스템(140)을 이용하여 수행되는 것일 수 있다.
도 11에 도시된 바를 참조하면, 먼저 제1 편광 빔 스플리터가 입력단과 연결되고(S50), 순차적으로 광자는 피드백 시스템 내에 입력된다. 입력된 광자는 제1 편광 빔 스플리터에 제공된다(S51).
제1 편광 빔 스플리터는 수평 반사실적 양자 제논 효과부 및 수직 반사실적 양자 제논 효과부 중 적어도 하나와 연결되어 있으며, 이들 중 어느 하나로 편광 및 분광된 광을 전달하여 제공한다(S52)
이 경우, 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 수직-반사실적 양자 제논 효과부 중 어느 하나(또는 양자 모두)는 도 7에 도시된 바와 같이 빔 스플리터와 연결되어 있을 수도 있고, 또는 각각 제2 편광 빔 스플리터 및 제3 편광 빔 스플리터와 연결되어 있을 수도 있다(T2 시점).
만약 사용자의 조작이나 미리 정의된 설정에 따라서 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 수직-반사실적 양자 제논 효과부가 빔 스플리터와 연결되어 있다면(33의 예), 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 수직-반사실적 양자 제논 효과부에서 방출된 광자는 빔 스플리터로 전달된다(S54). 이에 따라 빔 스플리터는 광자를 수신하게 된다.
한편, 광자가 빔 스플리터로 전달된 시점에서 빔 스플리터는 제1 편광 빔 스플리터와 연결될 수 있다. 제1 편광 빔 스플리터와 빔 스필리터 사이의 연결은, 광자가 제1 편광 빔 스플리터에 제공됨(S51)과 동일한 시점에 수행될 수도 있고, 일정한 시간이 경과한 시점에 수행될 수도 있으며, 또한 사용자의 조작이나 설정에 따른 임의적 시점에 수행될 수도 있다(예를 들어, T1 시점). 다시 말해서, 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 수직-반사실적 양자 제논 효과부에 광이 전달되는 시점이나 그 전후 및/또는 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 수직-반사실적 양자 제논 효과부로부터 광자가 출력되는 시점이나 그 전후에 제1 편광 빔 스플리터와 빔 스필리터가 서로 연결될 수 있다.
빔 스플리터와 제1 편광 빔 스플리터가 상호 연결된 경우, 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 수직-반사실적 양자 제논 효과부에서 빔 스플리터로 전달된 광자는 제1 편광 빔 스플리터로 전달된다(S55). 따라서, 피드백 시스템의 출력 값이 입력 값으로 다시 입력되게 될 수 있다. 이에 따라 제1 단말 장치는 하다마드 게이트 이후의 전자의 상태를 결정할 수 있게 된다.
한편, 특정한 시점(예를 들어, T2 시점)에는 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및/또는 수직-반사실적 양자 제논 효과부는 각각 제2 편광 빔 스플리터 및/또는 제3 편광 빔 스플리터와 연결되어 있을 수도 있다(S53의 아니오, S56).
이와 같이 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및/또는 수직-반사실적 양자 제논 효과부가 각각 제2 편광 빔 스플리터 및/또는 제3 편광 빔 스플리터와 연결되면, 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 수직-반사실적 양자 제논 효과부 중 어느 하나로부터 출력되는 광자는, 상술한 빔 스플리터 대신에 대응하는 편광 빔 스플리터(즉, 제2 편광 빔 스플리터 및 제3 편광 빔 스플리터 중 어느 하나에 제공된다(S57).
제2 편광 빔 스플리터 및 제3 편광 빔 스플리터 중 어느 하나는 광이 제공되면 편광 및 분광을 수행하고 광자를 방출하며, 방출된 광자는 제2 편광 빔 스플리터 및 제3 편광 빔 스플리터 중 어느 하나에 대응하여 마련된 적어도 하나의 검출기로 전달된다.
검출기에 의해 광자가 검출(S58)되면, 상술한 바와 같이 제1 단말 장치의 연산/제어에 이용되는 전자 장치 등은, 검출기의 검출 결과에 대응하여 벨 상태를 결정할 수 있다(S59). 즉, 전자 장치는 적어도 하나의 검출기 중에서 광자를 검출한 검출기에 대응하는 벨 상태를 검출함으로써 벨 상태를 추정 및 결정할 수 있다.
상술한 실시예에 따른 반사실적 양자 벨 상태 분석 방법은, 회로 등을 이용하여 구현될 수도 있으나, 컴퓨터 장치에 의해 구동될 수 있는 프로그램의 형태로 구현되는 것도 가능하다. 여기서 프로그램은, 프로그램 명령, 데이터 파일 및 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 프로그램은 기계어 코드나 고급 언어 코드를 이용하여 설계 및 제작된 것일 수 있다. 프로그램은 상술한 방법을 구현하기 위하여 특별히 설계된 것일 수도 있고, 컴퓨터 소프트웨어 분야에서 통상의 기술자에게 기 공지되어 사용 가능한 각종 함수나 정의를 이용하여 구현된 것일 수도 있다. 또한, 여기서, 컴퓨터 장치는, 프로그램의 기능을 실현 가능하게 하는 프로세서나 메모리 등을 포함하여 구현된 것일 수 있으며, 필요에 따라 통신 장치를 더 포함할 수도 있다.
상술한 반사실적 양자 벨 상태 분석 방법을 구현하기 위한 프로그램은, 컴퓨터에 의해 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터에 의해 판독 가능한 기록 매체는, 예를 들어, 하드 디스크나 플로피 디스크와 같은 자기 디스크 저장 매체, 자기 테이프, 콤팩트 디스크나 디브이디와 같은 광 기록 매체, 플롭티컬 디스크와 같은 자기-광 기록 매체 및 롬, 램 또는 플래시 메모리 등과 같은 반도체 저장 장치 등 컴퓨터 등의 호출에 따라 실행되는 특정 프로그램을 저장 가능한 다양한 종류의 하드웨어 장치를 포함할 수 있다.
이상 반사실적 양자 벨 상태 분석 방법, 장치 및 시스템의 실시예에 대해 설명하였으나, 반사실적 양자 벨 상태 분석 방법, 장치 및 시스템은 오직 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 상술한 실시예를 기초로 수정 및 변형하여 구현 가능한 다양한 장치나 방법 역시 상술한 반사실적 양자 벨 상태 분석 방법, 장치 및 시스템의 일례가 될 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성 요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나 다른 구성 요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 또는 치환되더라도 상술한 반사실적 양자 벨 상태 분석 방법, 장치 및 시스템의 일 실시예가 될 수 있다.
2: 채널 10: 제1 단말 장치
11: 제1 양자 통신 수행부 20: 제2 단말 장치
21: 제2 양자 통신 수행부 101: 빔 스플리터
109a~109d: 검출기 110: 제1 CCNOT 게이트
120: 반사실적 CNOT 게이트
130: 마이켈슨 수평(수직)-반사실적 양자 제논 효과 구조
140: 반사실적 벨 상태 분석의 피드백 시스템
150: 제2 CCNOT 게이트

Claims (19)

  1. 광자를 전달 받는 반사실적 CNOT 게이트;
    상기 반사실적 CNOT 게이트와 일 경로를 통해 연결되고 광자를 편광하고 분광하는 제1 편광 빔 스플리터; 및
    상기 제1 편광 빔 스플리터에서 방출되는 광의 편광 상태에 따라서 광자를 검출하거나 또는 검출하지 않는 복수의 제1 검출기;를 포함하되,
    상기 복수의 제1 검출기 중에서 광자를 검출한 검출기에 따라서 벨 상태가 결정되고,
    상기 반사실적 CNOT 게이트는,
    입력된 광자를 편광하여 분광하는 제3 편광 빔 스플리터;
    상기 제3 편광 빔 스플리터와 연결되고 제어 비트의 입력 상태에 따라서 일 출력 경로로 광자를 출력하는 수평-반사실적 양자 제논 효과부;
    상기 제3 편광 빔 스플리터와 연결되고 제어 비트의 입력 상태에 따라서 다른 출력 경로로 광자를 출력하는 수직-반사실적 양자 제논 효과부;를 포함하는 반사실적 양자 벨 상태 분석 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 일 경로와 다른 경로를 통해 상기 반사실적 CNOT 게이트와 연결되고 광자를 편광하고 분광하는 제2 편광 빔 스플리터; 및
    상기 제2 편광 빔 스플리터에서 방출되는 광의 편광 상태에 따라서 광자를 검출하거나 또는 검출하지 않는 복수의 제2 검출기;를 더 포함하는 반사실적 양자 벨 상태 분석 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반사실적 CNOT 게이트는,
    상기 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 상기 수직 반사실적 양자 제논 효과부와 연결되고, 외부의 다른 단말 장치와 통신 가능한 채널에 연결되는 제4 편광 빔 스플리터;를 더 포함하는 반사실적 양자 벨 상태 분석 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 상기 수직-반사실적 양자 제논 효과부 중 적어도 하나는,
    광자를 진입시키거나 또는 광자의 진입을 차단하는 제1 전환 가능 미러;
    상기 제1 전환 가능 미러와 연결되고 광자를 편광시키는 제1 전환 가능 편광 회전자;
    상기 제1 전환 가능 편광 회전자와 연결되고 전달된 광의 수직 성분 및 수평 성분을 분광하는 제5 편광 빔 스플리터;를 포함하는 반사실적 양자 벨 상태 분석 장치.
  6. 광자가 입력되는 제1 편광 빔 스플리터;
    상기 제1 편광 빔 스플리터와 연결되고 제어 비트의 입력 상태에 따라서 일 출력 경로로 광자를 출력하는 수평-반사실적 양자 제논 효과부;
    상기 수평-반사실적 양자 제논 효과부와 선택적으로 연결되고 광자를 편광하고 분광하는 제2 편광 빔 스플리터;
    상기 수평-반사실적 양자 제논 효과부와 선택적으로 연결되고 전달된 광을 편광 빔 스플리터에 제공하는 빔 스플리터;
    상기 수평 반사실적 양자 제논 효과부를 상기 제2 편광 빔 스플리터 및 상기 빔 스플리터 중 어느 하나와 선택적으로 연결시키는 전환부; 및
    상기 제1 편광 빔 스플리터와 연결되고 제어 비트의 입력 상태에 따라서 다른 출력 경로로 광자를 출력하는 수직-반사실적 양자 제논 효과부;를 더 포함하되,
    상기 수직-반사실적 양자 제논 효과부는 상기 전환부에 의해 상기 빔 스플리터와 선택적으로 연결되는 반사실적 양자 벨 상태 분석 장치.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제2 편광 빔 스플리터에서 방출되는 광의 편광 상태에 따라서 광자를 검출하거나 또는 검출하지 않는 복수의 검출기;를 더 포함하는 반사실적 양자 벨 상태 분석 장치.
  9. 제1 단말 장치; 및
    상기 제1 단말 장치와 공간적으로 분리되고 상기 제1 단말 장치와 상호 얽힌 상태의 광자 및 전자 쌍을 갖는 제2 단말 장치;를 포함하되,
    상기 제1 단말 장치는 반사실적 CNOT 게이트에 광자를 전달하여 광자와 전자를 분리 가능하게 하고,
    상기 제2 단말 장치는 하다마드 게이트에 제2 단말 장치의 제어 비트를 적용하고,
    상기 제1 단말 장치는 반사실적 CNOT 게이트에 광자를 다시 전달하여 반사실적으로 전자의 상태를 결정하고, 반사실적 CNOT 게이트에서 출력되는 광자를 검출하여 벨 상태를 결정하되,
    상기 제1 단말 장치는,
    광자를 전달 받는 반사실적 CNOT 게이트;
    상기 반사실적 CNOT 게이트와 일 경로를 통해 연결되고 광자를 편광하고 분광하는 제1 편광 빔 스플리터; 및
    상기 제1 편광 빔 스플리터에서 방출되는 광의 편광 상태에 따라서 광자를 검출하거나 또는 검출하지 않는 복수의 제1 검출기;를 포함하되,
    상기 복수의 제1 검출기 중에서 광자를 검출한 검출기에 따라서 벨 상태가 결정되고,
    상기 반사실적 CNOT 게이트는,
    입력된 광자를 편광하여 분광하는 제3 편광 빔 스플리터;
    상기 제3 편광 빔 스플리터와 연결되고 제어 비트의 입력 상태에 따라서 일 출력 경로로 광자를 출력하는 수평-반사실적 양자 제논 효과부;
    상기 제3 편광 빔 스플리터와 연결되고 제어 비트의 입력 상태에 따라서 다른 출력 경로로 광자를 출력하는 수직-반사실적 양자 제논 효과부;를 포함하는 반사실적 양자 벨 상태 분석 시스템.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제9항에 있어서,
    상기 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 상기 수직-반사실적 양자 제논 효과부 중 적어도 하나는,
    광자를 진입시키거나 또는 광자의 진입을 차단하는 제1 전환 가능 미러;
    상기 제1 전환 가능 미러와 연결되고 광자를 편광시키는 제1 전환 가능 편광 회전자;
    상기 제1 전환 가능 편광 회전자와 연결되고 전달된 광의 수직 성분 및 수평 성분을 분광하는 제5 편광 빔 스플리터;를 포함하는 반사실적 양자 벨 상태 분석 시스템.
  13. 제1 단말 장치; 및
    상기 제1 단말 장치와 공간적으로 분리되고 상기 제1 단말 장치와 채널을 통해 연결되며 상기 제1 단말 장치와 상호 얽힌 상태의 광자 및 전자 쌍을 갖는 제2 단말 장치;를 포함하되,
    상기 제1 단말 장치는,
    광자가 입력되는 제1 편광 빔 스플리터;
    상기 제1 편광 빔 스플리터와 연결되고 제어 비트의 입력 상태에 따라서 일 출력 경로로 광자를 출력하는 수평-반사실적 양자 제논 효과부;
    상기 수평-반사실적 양자 제논 효과부와 선택적으로 연결되고 광자를 편광하고 분광하는 제2 편광 빔 스플리터;
    상기 수평-반사실적 양자 제논 효과부와 선택적으로 연결되고 전달된 광을 상기 편광 빔 스플리터에 제공하는 빔 스플리터;
    상기 수평 반사실적 양자 제논 효과부를 상기 제2 편광 빔 스플리터 및 상기 빔 스플리터 중 어느 하나와 선택적으로 연결시키는 전환부; 및
    상기 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 상기 채널에 연결되는 제3 편광 빔 스플리터;를 더 포함하는 반사실적 양자 벨 상태 분석 시스템.
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  17. 제1 편광 빔 스플리터가 입력단과 연결되고 입력된 광자가 상기 제1 편광 빔 스플리터에 제공되는 단계;
    상기 제1 편광 빔 스플리터에 의해 편광 및 분광된 광자가 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 수직-반사실적 양자 제논 효과부 중 적어도 하나에 전달되는 단계;
    상기 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 상기 수직-반사실적 양자 제논 효과부 중 적어도 하나가 빔 스플리터와 연결되고, 상기 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 상기 수직-반사실적 양자 제논 효과부 중 적어도 하나에 전달된 광자가 상기 빔 스플리터에 전달되는 단계; 및
    상기 빔 스플리터가 상기 제1 편광 빔 스플리터와 연결되고, 상기 빔 스플리터가 광자를 상기 제1 편광 빔 스플리터와 연결되는 단계;를 포함하는 양자 벨 상태 분석 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 상기 수직-반사실적 양자 제논 효과부가 각각 제2 편광 빔 스플리터 및 제3 편광 빔 스플리터와 연결되는 단계;
    상기 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 상기 수직-반사실적 양자 제논 효과부 중 적어도 하나로부터 상기 제2 편광 빔 스플리터 및 상기 제3 편광 빔 스플리터 중 적어도 하나에 광자가 제공되는 단계; 및
    상기 제2 편광 빔 스플리터 및 상기 제3 편광 빔 스플리터 중 적어도 하나에서 방출된 광자가 어느 하나의 검출기에 의해 검출되는 단계;를 더 포함하는 양자 벨 상태 분석 방법.
  19. 제1 편광 빔 스플리터가 입력단과 연결되고 입력된 광자가 상기 제1 편광 빔 스플리터에 제공되는 단계;
    상기 제1 편광 빔 스플리터에 의해 편광 및 분광된 광자가 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 수직-반사실적 양자 제논 효과부 중 적어도 하나에 전달되는 단계;
    상기 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 상기 수직-반사실적 양자 제논 효과부가 각각 제2 편광 빔 스플리터 및 제3 편광 빔 스플리터와 연결되는 단계;
    상기 수평-반사실적 양자 제논 효과부 및 상기 수직-반사실적 양자 제논 효과부 중 적어도 하나로부터 상기 제2 편광 빔 스플리터 및 상기 제3 편광 빔 스플리터 중 적어도 하나에 광자가 제공되는 단계; 및
    상기 제2 편광 빔 스플리터 및 상기 제3 편광 빔 스플리터 중 적어도 하나에서 방출된 광자가 어느 하나의 검출기에 의해 검출되는 단계;를 더 포함하는 양자 벨 상태 분석 방법.
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