KR20150137717A - 네 양자 상태 처리 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

네 양자 상태를 구별하고 관리하는 양자 상태 처리 장치 및 방법이 개시된다. 상기 양자 상태 처리 방법은 확률이 각기
Figure pat00070
인 네 양자 상태에 대한 정보인 양자 상태 정보를 생성하는 단계 및 상기 생성된 양자 상태 정보를 타 모듈로 전송하는 단계를 포함한다. 여기서, 상기 네 양자 상태는 최대 추측 확률에 의해 구별된다.

Description

네 양자 상태 처리 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD OF MANAGING 4 QUBIT-MIXED STATES}
본 발명은 네 양자 상태 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
고전적인 경우에 있어서 각 상태들은 서로 수직하여 모든 상태들은 항상 완벽하게 구별되어 질 수 있다. 그러나 양자상태를 고려하게되면 서로 수직하지않은 상태들의 존재 때문에 완벽하게 구별되지 못한다.
지금까지는 임의의 두 양자상태를 구별하는 방법만이 알려져 왔었다. 그리고 특정한 대칭성이 있는 경우 양자상태를 구별하는 방법이 보고되었었다.
그러나 네 양자상태가 임의의 주어질 경우 이에 대한 최적의 구별방법은 알려진 바가 없다.
일본공개특허공보 제2007-288610호 (공개일 : 2007년 11월 1일)
본 발명은 네 양자 상태를 구별하고 관리하는 양자 상태 처리 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 상태 처리 방법은 확률이 각기
Figure pat00001
인 네 양자 상태에 대한 정보인 양자 상태 정보를 생성하는 단계; 및 상기 생성된 양자 상태 정보를 타 모듈로 전송하는 단계를 포함한다. 여기서, 상기 네 양자 상태는 최대 추측 확률에 의해 구별된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자 상태 처리 장치는 네 양자 상태를 정의하는 네 양자 상태 정의부; 및 상기 네 양자 상태의 정보를 관리하는 제어부를 포함한다. 여기서, 상기 네 양자 상태는 최대 추측 확률에 의해 구별된다.
본 발명에 따른 양자 상태 처리 장치 및 방법은 네 양자 상태를 정확하게 구별할 수 있다. 따라서, 네 양자 상태에 관한 정보를 이용하여 양자 통신 기술, 양자 컴퓨터 기술, 양자 암호화 기술 등을 실현할 수 있다.
또한, 네 양자 상태에 대한 정보에 따른 최적의 측정 장치를 준비하지 못하는 한 양자 상태를 측정하지 못하므로, 타인의 해킹을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 통신 시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 통신 방법을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 송신기의 구조를 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신기의 구성을 도시한 블록도이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 자세히 설명하도록 한다.
현재까지는 두 양자 상태들을 구분할 수 있는 방법이 제시되었으나, 네 양자 상태들을 구별할 수 있는 방법이 없었다. 본 발명은 네 양자 상태들을 명확하게 구분할 수 있는 방법을 제안한다.
확률로서 정의되는 네 양자 상태들의 구별이 가능하면, 네 양자 상태들을 데이터로 하여 양자 컴퓨터, 암호화 통신 등의 다양한 분야에 활용 가능하다. 예를 들어, 송신기가 네 양자 상태들에 관한 정보인 네 양자 상태 정보를 수신기로 전송하면, 수신기는 상기 네 양자 상태 정보에 따라 적절한 측정 장치를 준비할 수 있다. 따라서, 상기 송신기와 상기 수신기 사이에 원활한 통신이 가능할 수 있다. 그러나, 타인이 통신 동안 데이터를 해킹하더라도 타인은 네 양자 상태 정보를 알지 못하기 때문에, 확률로서 정의되는 양자 상태에 해당하는 데이터를 정확하게 해석할 수가 없다. 즉, 네 양자 상태 정보에 따라 최적의 측정 장치를 준비하지 못하는 한 데이터를 해킹하더라도 상기 데이터를 해석할 수가 없다. 즉, 특별한 암호화 프로그램을 사용하지 않더라도 통신 보안이 가능할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 네 양자 상태들은 후술하는 바와 같이 시스템의 상태를 올바르게 추측할 확률의 최대값, 즉 최대 추측 확률에 따라 구분될 수 있다. 예를 들어, 최대 추측 확률이 P3인 경우의 네 양자 상태들을 양자 통신에 활용할 경우, 송신기는 네 양자 상태들의 최대 추측 확률이 P3라는 정보를 수신기로 알리고, 수신기는 상기 정보에 따라 최적의 측정 장치를 준비할 수 있다.
이하, 본 발명의 네 양자 상태 구별 방법 및 통신 시스템의 다양한 실시예들을 상술하겠다.
구별해야하는 4-dimensional 양자 상태(quantum state)와 그 선험적 확률(priori probability)을 각각
Figure pat00002
와
Figure pat00003
라고 하고, {Mi}N i = 1를 POVM (positive operator-valued measurement) elements라고 하겠다. POVM은 completeness relation을 만족하는 양의 연산자들(positive operators)로 구성되어있다. 또한, 결과(outcome) i를 획득하면 그 시스템은
Figure pat00004
상태에 있다고 추측한다.
이준위인 네 양자 상태들은 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00005
또한, 어떤
Figure pat00006
에서
Figure pat00007
을
Figure pat00008
으로 고려한다. 이때, 선험적 확률의 차와
Figure pat00009
에 해당하는 선분의 길이를
Figure pat00010
와
Figure pat00011
로 표기하고,
Figure pat00012
와
Figure pat00013
에 해당하는 두 선분 간의 내각을 θij (k)로 표기하며,
Figure pat00014
와
Figure pat00015
에 해당하는 두 삼각형 간의 내각을
Figure pat00016
로 표기한다.
게다가, 하기 수학식 2와 같은 지표들이 정의된다.
Figure pat00017
Figure pat00018
Figure pat00019
Figure pat00020
Figure pat00021
Figure pat00022
Figure pat00023
Figure pat00024

Figure pat00025
을 만족하는
Figure pat00026
을 χ2로 표기하고,
Figure pat00027
을 만족하는
Figure pat00028
을 χ3으로 표기한다. 이 때, 하기 수학식 3으로 가정하면, 하기 수학식 4를 만족시킬 때 P4=q1+R로 가정한다.
Figure pat00029
Figure pat00030
이러한 환경에서 네 양자 상태들은 아래의 같이 구별될 수 있다.
1) max i P i = P 1 인 경우
추측 확률이 P1이고, 하기 수학식 5와 같이 주어진 측정(POVM) 장치,
Figure pat00031
가 최적이다.
Figure pat00032
즉, 네 양자 상태들이
Figure pat00033
인 경우, 수학식 5를 만족하는 측정 장치가 최적의 측정 장치이다. 따라서, 송신기가 네 양자 상태들이
Figure pat00034
에 해당한다는 정보를 수신기로 전송하면, 수신기는 수학식 5를 만족하는 측정 장치를 준비하여, 그런 후 통신이 수행될 수 있다.
2) max i P i =P 2 인 경우
Figure pat00035
일 때, 추측 확률은 P2이고, 하기 수학식 6과 같이 주어진 측정(POVM) 장치,
Figure pat00036
가 최적이다.
Figure pat00037
Figure pat00038

3) max i P i =P 3 인 경우
Figure pat00039
일 때, 추측 확률은 P3이고, 하기 수학식 7과 같이 주어진 측정(POVM) 장치,
Figure pat00040
가 최적이다.
Figure pat00041
Figure pat00042
Figure pat00043

4) max i P i = P 4 인 경우
추측 확률은 P4이고, 하기 수학식 8과 같이 주어진 측정(POVM) 장치,
Figure pat00044
가 최적이다.
Figure pat00045
Figure pat00046
Figure pat00047
Figure pat00048

이하, 네 양자 상태 구별에 따른 양자 통신 시스템을 상술하겠다. 양자 상태를 이용하는 다양한 장치들, 예를 들어 양자 컴퓨터, 양자 암호 장치, 양자 토모그래피 장치 등이 있으나, 일괄적으로 양자 처리 장치로 정의하겠다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 통신 시스템을 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 양자 통신 시스템은 송신기(100) 및 수신기(102)를 포함한다.
송신기(100)는 네 양자 상태 정보를 저장하고 있으며, 양자 상태 정보 및 양자 신호를 수신기(102)로 전송한다. 한편, 송신기(100)는 양자 상태를 수신기(102)로 직접 전송할 수도 있지만, 위성(미도시)을 통하여 수신기(102)로 전송할 수도 있다.
수신기(102)는 송신기(100)로부터 전송된 양자 상태 정보에 따라 준비된 최적의 측정 장치를 포함하며, 상기 측정 장치를 통하여 상기 전송된 양자 신호를 해석한다.
정리하면, 본 실시예의 양자 통신 시스템은 네 양자 상태 구별할 수 있는 정보를 상호 알고 있으며, 이에 따라 준비된 측정 장치로 통신을 수행할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 통신 방법을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 송신기(100)는 네 양자 상태를 구별할 수 있고, 네 양자 상태에 대한 정보인 양자 상태 정보를 수신기(102)로 전송한다(S200 및 S202). 여기서, 네 양자 상태는 위에서 상술한 바와 같이 최대 추측 확률에 따라 구별될 수 있다.
예를 들어, 송신기(100)는 네 양자 상태가 최대 추측 확률이 P4라는 양자 상태 정보를 수신기(102)로 전송할 수 있다. 또한, 송신기(100)는 최대 추측 확률이 P4인 네 양자 상태를 통신을 위해 준비한다.
이어서, 수신기(102)는 상기 송신된 양자 상태 정보에 따라서 최적의 측정 장치를 준비한다(S204). 예를 들어, 최대 추측 확률이 P4인 경우, 이 때의 네 양자 상태를 정확하게 측정할 수 있는 장치를 준비한다. 네 양자 상태가 확률로 정의되기 때문에, 최적의 측정 장치가 아닌 측정 장치에서도 양자 상태가 측정될 수도 있지만 네 양자 상태에 대하여 정확한 측정을 할 수가 없다. 따라서, 최적의 측정 장치가 아니면 네 양자 상태를 측정할 수 없기 때문에, 네 양자 상태의 정보를 아는 것이 중요하다. 따라서, 본 발명의 통신 장치는 네 양자 상태에 대한 정보를 먼저 수신기(102)로 전송하여 수신기(102)에서 최적의 측정 장치를 준비하도록 만든다.
계속하여, 수신기(102)는 상기 전송된 양자 상태 정보에 따라 양자 상태를 측정하기 위한 최적의 측정 장치를 준비한다(S204).
이어서, 송신기(100)는 수신기(102)가 최적의 측정 장치를 준비하면 준비된 양자 상태들 중 원하는 양자 상태를 수신기(102)로 전송한다(S206). 즉, 통신이 개시된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 송신기의 구조를 도시한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 송신기(100)는 제어부(300), 통신부(302), 네 양자 상태 구별부(304), 정보부(306), 신호부(308) 및 저장부(310)를 포함한다.
통신부(302)는 수신기(102)와의 통신 통로 역할을 수행한다.
네 양자 상태 구별부(304)는 네 양자 상태를 구별하는 정보를 포함하고 있다. 예를 들어, 네 양자 상태 구별부(304)는 네 양자 상태의 최대 추측 확률이 P4일 때 이에 해당하는 최적의 측정 장치에 대한 정보를 저장할 수 있다.
정보부(306)는 통신을 수행할 네 양자 상태에 대한 정보를 관리하며, 예를 들어 양자 상태 정보를 생성하고 수신기(102)로 전송할 수 있다.
신호부(308)는 양자 상태 정보에 해당하는 양자 상태를 포함한 양자 신호를수신기(102)로 전송한다.
저장부(310)는 양자 상태 정보 등 다양한 데이터를 저장한다.
제어부(300)는 송신기(100)의 구성요소들의 동작을 전반적으로 제어한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신기의 구성을 도시한 블록도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예의 수신기(102)는 제어부(400), 통신부(402), 네양자 상태 정보부(404), 분석부(406) 및 저장부(408)를 포함한다.
통신부(402)는 송신기(100)와의 통신 연결 통로이다.
네 양자 상태 정보부(404)는 송신기(100)로부터 양자 상태 정보 및 양자 신호를 수신하고, 관리한다. 물론, 네 양자 상태 정보부(404)는 송신기(100)로 양자 신호를 전송할 수도 있다.
분석부(406)는 송신기(100)로부터 전송된 양자 상태 정보를 통하여 양자 상태를 파악하고, 파악된 양자 상태를 측정하기에 최적인 측정 장치를 파악한다.
수신기(102)는 도 4에 도시하지는 않았지만 분석 결과에 따라 최적의 측정 장치를 준비한다.
저장부(408)는 양자 상태 정보, 분석 결과 등의 각종 데이터를 저장한다.
제어부(400)는 수신기(102)의 구성요소들의 동작을 전반적으로 제어한다.
위에서는 양자 통신을 예로 하였지만, 양자 암호 기술, 양자 컴퓨터 기술 등으로 활용될 수 있다. 이러한 양자 상태를 이용하는 장치를 양자 상태 처리 장치라 하면, 양자 처리 장치는 네 양자 상태를 정의하는 네 양자 상태 정의부 및 상기 네 양자 상태의 정보를 관리하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 양자 상태 처리 장치는 구현하고자 하는 기술에 따라 네 양자 상태 정의부 및 제어부 이외의 구성요소들을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 양자 통신의 경우, 양자 상태 처리 장치는 네 양자 상태에 대한 정보를 가지는 양자 상태 정보를 생성하고 타 모듈로 전송하는 정보부 및 상기 양자 상태 정보와 매칭되는 양자 상태를 상기 타 모듈로 전송하는 신호부를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 타 모듈은 송신기, 수신기와 같이 각기 별개의 장치일 수도 있고, 양자 컴퓨터 등의 내부 소자일 수도 있다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100 : 송신기 102 : 수신기

Claims (10)

  1. 확률이 각기
    Figure pat00049
    인 네 양자 상태에 대한 정보인 양자 상태 정보를 생성하는 단계; 및
    상기 생성된 양자 상태 정보를 타 모듈로 전송하는 단계를 포함하되,
    상기 네 양자 상태는 최대 추측 확률에 의해 구별되는 것을 특징으로 하는 양자 상태 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 네 양자 상태에 맞는 측정 장치(POVM 엘리먼트)를 준비하는 단계를 더 포함하되,
    최대 추측 확률(maxiPi)이 P1일 때, 상기 측정 장치는 하기 수학식과 같되,
    P1은 상기 네 양자 상태들 중 첫번째 양자 상태의 추측 확률을 의미하는 것을 특징으로 하는 양자 상태 처리 방법.
    Figure pat00050
  3. 제1항에 있어서,
    상기 네 양자 상태에 맞는 측정 장치(POVM 엘리먼트)를 준비하는 단계를 더 포함하되,
    최대 추측 확률(maxiPi)이 P2일 때, 상기 측정 장치는 하기 수학식과 같되,
    P2은 상기 네 양자 상태들 중 두번째 양자 상태의 추측 확률을 의미하는 것을 특징으로 하는 양자 상태 처리 방법.
    Figure pat00051

    Figure pat00052
  4. 제1항에 있어서,
    상기 네 양자 상태에 맞는 측정 장치(POVM 엘리먼트)를 준비하는 단계를 더 포함하되,
    최대 추측 확률(maxiPi)이 P3일 때, 상기 측정 장치는 하기 수학식과 같되,
    P3는 상기 네 양자 상태들 중 세번째 양자 상태의 추측 확률을 의미하는 것을 특징으로 하는 양자 상태 처리 방법.
    Figure pat00053

    Figure pat00054

    Figure pat00055
  5. 제1항에 있어서,
    상기 네 양자 상태에 맞는 측정 장치(POVM 엘리먼트)를 준비하는 단계를 더 포함하되,
    최대 추측 확률(maxiPi)이 P4일 때, 상기 측정 장치는 하기 수학식과 같되,
    P4는 상기 네 양자 상태들 중 네번째 양자 상태의 추측 확률을 의미하는 것을 특징으로 하는 양자 상태 처리 방법.
    Figure pat00056

    Figure pat00057

    Figure pat00058

    Figure pat00059
  6. 네 양자 상태를 정의하는 네 양자 상태 정의부; 및
    상기 네 양자 상태의 정보를 관리하는 제어부를 포함하되,
    상기 네 양자 상태는 최대 추측 확률에 의해 구별되는 것을 특징으로 하는 양자 상태 처리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 네 양자 상태에 맞는 측정 장치(POVM 엘리먼트)를 준비하는 단계를 더 포함하되,
    최대 추측 확률(maxiPi)이 P1일 때, 상기 측정 장치는 하기 수학식과 같되,
    P1은 상기 네 양자 상태들 중 첫번째 양자 상태의 추측 확률을 의미하는 것을 특징으로 하는 양자 상태 처리 장치.
    Figure pat00060
  8. 제6항에 있어서,
    상기 네 양자 상태에 맞는 측정 장치(POVM 엘리먼트)를 준비하는 단계를 더 포함하되,
    최대 추측 확률(maxiPi)이 P2일 때, 상기 측정 장치는 하기 수학식과 같되,
    P2은 상기 네 양자 상태들 중 두번째 양자 상태의 추측 확률을 의미하는 것을 특징으로 하는 양자 상태 처리 장치.
    Figure pat00061

    Figure pat00062
  9. 제6항에 있어서,
    상기 네 양자 상태에 맞는 측정 장치(POVM 엘리먼트)를 준비하는 단계를 더 포함하되,
    최대 추측 확률(maxiPi)이 P3일 때, 상기 측정 장치는 하기 수학식과 같되,
    P3는 상기 네 양자 상태들 중 세번째 양자 상태의 추측 확률을 의미하는 것을 특징으로 하는 양자 상태 처리 장치.
    Figure pat00063

    Figure pat00064

    Figure pat00065
  10. 제6항에 있어서,
    상기 네 양자 상태에 맞는 측정 장치(POVM 엘리먼트)를 준비하는 단계를 더 포함하되,
    최대 추측 확률(maxiPi)이 P4일 때, 상기 측정 장치는 하기 수학식과 같되,
    P4는 상기 네 양자 상태들 중 네번째 양자 상태의 추측 확률을 의미하는 것을 특징으로 하는 양자 상태 처리 장치.
    Figure pat00066

    Figure pat00067

    Figure pat00068

    Figure pat00069





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