(Topological Quantum Computing with Polariton Bose-Einstein Condensates)

2차원 양자시스템, 즉 큐비트 기반의 모든 양자컴퓨팅 플랫폼은 국소적(local) 결어긋남에 영향을 크게 받기 때문에 양자오류보정이 필수적이다. 양자오류보정을 실제 적용하려면 많은 보조 큐비트를 도입해 큰 양자얽힘상태를 구현하고 양자측정을 통해 오류의 측정 및 수정 과정을 구현할 수 있어야 하는데 여러 물리적 한계 때문에 큰 발전이 없는 답보상태에 있다. 반면 위상양자컴퓨팅은 비국소적인(nonlocal) 위상양자상태를 사용하므로 국소적 오류에 영향을 받지 않아 양자오류보정이 필요 없는 양자컴퓨팅의 가능성을 제공한다.

위상양자컴퓨팅의 가능성을 검증하고 의미 있는 플랫폼을 제시하려면 ①안정적인 위상양자상태의 구현, ②위상양자상태 기반의 비아벨 애니온(non-Abelian anyon) 구현 및 브레이딩(braiding) 기술 확보가 필요하다. 위상양자상태로 많이 언급되고 있는 초전도체의 마요라나(Majorana) 페르미온은 아직 확인되지 않았으며 브레이딩(braiding) 구현 또한 매우 어려울 것으로 예측된다. 지금까지 관측된 위상양자상태의 예로는 양자소용돌이(quantum vortex)를 들 수 있는데 극저온(~nK) 원자매질의 보즈-아인슈타인 응축(BEC) 혹은 초전도체에서 구현 가능하다. 다만 극저온 원자매질은 BEC 구현 및 유지가 매우 어렵고 초전도체의 경우 단일 양자소용돌이의 생성 및 제어가 불가능하다는 문제가 있다. 또한 아직까지 이러한 시스템에서 비아벨 애니온의 구현이 보고된 바 없다. 

본 연구에서는 빛과 원자의 상호작용에 의한 정지된 광펄스 효과 기반의 폴라리톤(dark state polariton) BEC 현상을 최초로 구현하고 이를 활용해 위상양자상태의 생성 및 제어 방법을 개척한다. 새로운 폴라리톤 BEC 현상을 찾고 이를 이용해 쉽게 제어 가능한 위상양자상태인 단일 양자소용돌이 현상을 관측함으로써 준입자 상호작용의 흥미로운 물리학적 성과를 도출할 수 있을 것이다. 또 위상양자컴퓨팅의 핵심인 비아벨 애니온의 개별적 생성 및 브레이딩을 폴라리톤 BEC 시스템의 위상양자상태를 이용해 최초로 구현한다. 폴라리톤 BEC를 이용한 양자소용돌이 기반의 비아벨 애니온은 단일 애니온을 광학적으로 제어할 수 있는 플랫폼이므로 위상양자컴퓨팅의 핵심 아이디어를 실험적으로 검증할 수 있게 해줄 것으로 기대한다.

비아벨 애니온의 실험적 관측 및 브레이딩은 지금까지 단지 아이디어 수준에만 머물러 있는 위상양자컴퓨팅 분야에 새로운 실험적 성과 및 방법론을 제시할 수 있을 것이다. 이를 통해 다학제적인 양자정보과학, 특히 위상양자컴퓨팅 분야의 폭발적인 발전의 가져올 수 있을 것으로 기대한다.