양자 오류 정정(Quantum Error Correction, QEC)은 양자 정보가 디코히런스와 양자 노이즈로부터 손상되는 것을 방지하기 위한 핵심 기술입니다. 본 연구실에서는 비트 플립, 페이즈 플립, 감쇠 채널 등 다양한 양자 채널에서 발생하는 오류를 효과적으로 정정할 수 있는 스테빌라이저 코드, 토릭 코드, 서피스 코드 등 다양한 오류 정정 부호를 연구하고 있습니다. 특히, 결함 허용(fault-tolerant) 양자 컴퓨팅을 실현하기 위해 논리적 큐빗의 구조 설계, 결함 허용 논리 연산, 저비용 joint measurement 기반의 연산 기법 등 실용적인 구현 방법론 개발에 집중하고 있습니다. 최근에는 NISQ(중간 규모 노이즈 양자 컴퓨터) 환경에서의 저부하, 고효율 오류 경감 기술 개발에도 주력하고 있습니다. 실제 양자 컴퓨터에서 발생하는 다양한 오류 특성을 분석하고, 이를 바탕으로 초전도체 기반 양자 컴퓨터의 오류 내성을 높이기 위한 프로토콜을 개발하고 있습니다. 또한, 하이브리드 신경망-트랜스포머 디코더 등 인공지능 기반의 오류 정정 기법도 도입하여, 기존 방식보다 더욱 높은 성능과 효율성을 달성하고 있습니다. 이러한 연구는 양자 컴퓨터의 신뢰성과 확장성을 높이는 데 필수적이며, 양자 정보 처리, 양자 통신, 양자 암호 등 다양한 응용 분야에서 핵심적인 역할을 합니다. 앞으로도 본 연구실은 결함 허용 양자 컴퓨팅의 실현을 위한 이론적·실용적 연구를 지속적으로 선도해 나갈 것입니다.

양자 통신은 양자 얽힘과 중첩 등 양자역학적 특성을 활용하여 기존의 고전적 통신보다 훨씬 높은 보안성과 신뢰성을 제공하는 차세대 통신 기술입니다. 본 연구실은 양자 키 분배(Quantum Key Distribution, QKD) 프로토콜의 설계 및 구현, 양자 암호통신망 구축, 실시간 오류 정정 및 비밀성 증폭 등 양자 통신의 전 주기에 걸친 연구를 수행하고 있습니다. 대표적으로 BB84, DPS, CV QKD 등 다양한 프로토콜의 이론적 분석과 실험적 구현을 통해, 실제 통신망에 적용 가능한 양자 암호 시스템을 개발하고 있습니다. 특히, 양자 키 분배의 효율성과 보안성을 높이기 위한 polar code 기반 오류 정정, 토플리츠 행렬을 활용한 비밀성 증폭, WDM-QKD 시스템 등 첨단 기술을 연구하고 있습니다. 가입자 광통신망, 위성 통신 등 다양한 환경에 적용 가능한 양자 암호 기술을 개발하고, 실제 테스트베드 구축 및 성능 검증을 통해 실용화에 앞장서고 있습니다. 또한, 양자난수발생기(QRNG)와 연계하여, 양자 암호통신에서 필요한 진정한 난수 생성 및 키 분배의 신뢰성을 확보하는 연구도 병행하고 있습니다. 이러한 연구는 미래의 초신뢰 네트워크, 양자인터넷, 국가 보안 인프라 등 다양한 분야에 적용될 수 있으며, 양자 정보 시대의 핵심 인프라 기술로 자리매김하고 있습니다. 본 연구실은 양자 통신의 이론적 기반부터 실용화까지 전방위적 연구를 통해, 국내외 양자 정보통신 분야를 선도하고 있습니다.

양자 알고리즘은 양자 얽힘, 중첩 등 양자역학의 고유한 특성을 활용하여 기존 고전 컴퓨터로는 불가능하거나 매우 어려운 문제를 효율적으로 해결할 수 있는 계산 방법입니다. 본 연구실에서는 Shor 알고리즘, Grover 알고리즘, HHL 알고리즘 등 대표적인 양자 알고리즘의 이론적 분석과 실제 통신 시스템, 암호 해독, 최적화 문제 등 다양한 응용 분야로의 확장 연구를 수행하고 있습니다. 또한, 양자 근사 최적화 알고리즘(QAOA), 양자 최소값 탐색, 양자 선형 시스템 알고리즘 등 최신 양자 알고리즘의 설계 및 회로 구현, 자원 분석 등 실용화 연구에도 집중하고 있습니다. 양자 정보 이론 분야에서는 양자 정보의 저장, 전송, 처리 과정에서 발생하는 다양한 문제를 정보이론적 관점에서 분석하고, 양자 오류 정정, 양자 암호화, 양자 통신 등과의 연계 연구를 활발히 진행하고 있습니다. 특히, 양자 정보의 복제 불가능성, 얽힘 기반 정보 분배, 오류 정정 부호의 정보 이론적 한계 등 근본적인 이론 연구와 더불어, 실제 시스템에 적용 가능한 설계 방법론을 개발하고 있습니다. 이러한 연구는 양자 컴퓨팅의 실질적 성능 향상과 응용 분야의 확장에 기여하며, 미래 양자 정보 사회의 기반 기술로서 중요한 역할을 하고 있습니다. 본 연구실은 양자 알고리즘과 정보 이론의 융합을 통해, 새로운 계산 패러다임과 혁신적 응용을 지속적으로 개척하고 있습니다.