[스타인뉴스 이복인 전문기자]
햇빛을 이용해 양자 얽힘을 직접 생성하는 기술이 개발돼 에너지 효율적인 양자 기술 상용화에 청신호가 켜졌다.
캐나다 오타와 대학교와 독일 막스 플랑크 빛의 과학 연구소(MPL) 공동 연구팀은 6일(현지시간) 국제학술지 '옵티카'에 태양광으로 광자 간 양자 얽힘을 구현하는 데 성공했다는 연구 결과를 발표했다.
이번 연구 성과는 막대한 에너지를 소모하는 레이저에 의존해온 기존 양자 기술의 한계를 극복할 대안을 제시했다는 평가를 받는다. 위성 간 보안 암호키 생성이나 양자컴퓨터 확장 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 전망이다.
논문 제1 저자인 쳉 리 오타와대 연구원은 "이번 기술은 언젠가 위성이 우주에 풍부한 햇빛을 사용해 보안 암호키를 생성하도록 할 수 있다"며 "에너지 부담을 늘리지 않고 양자 컴퓨팅을 확장하는 데 필요한 중요한 요소가 될 수 있다"고 밝혔다.
양자 얽힘은 두 개 이상의 입자가 서로 연결돼 아무리 멀리 떨어져 있어도 하나의 상태가 결정되면 다른 쪽의 상태가 즉시 결정되는 양자역학적 현상이다. 이를 구현하려면 파동이 동기화된 상태를 유지하는 '결맞음' 상태의 빛이 필요하다고 여겨져 왔다. 이 때문에 고도로 결맞는 빛을 내는 레이저가 주로 사용됐다.
연구팀은 이러한 통념을 깨고 햇빛처럼 다양한 색상과 방향을 가진 '비결맞음' 상태의 빛으로도 양자 얽힘을 구현할 수 있음을 증명했다. 연구팀은 앞서 발광다이오드(LED)를 이용한 실험에서 비결맞음 빛으로도 양자 얽힘 생성이 가능하다는 이론을 실험으로 관측한 바 있다.
연구팀은 '자발적 매개 하향 변환(SPDC)'이라는 과정에 레이저 대신 태양광을 펌프 광선으로 사용했다. SPDC는 펌프 광선이 비선형 결정과 상호작용해 개별 광자를 양자 얽힘이 가능한 쌍으로 분할하는 과정이다.
이를 위해 막스 플랑크 연구소팀은 가정용 창문 크기의 프레넬 렌즈로 모은 햇빛을 머리카락 굵기의 광섬유로 집광하는 원뿔 모양의 유리 집광기를 개발했다. 이 장치로 햇빛을 밀리미터 크기의 작은 비선형 결정에 집중시킬 수 있었다.
실외 실험 결과, 태양광으로 생성된 양자 얽힘은 완벽하게 얽힌 상태와 약 94% 유사한 것으로 나타났다. 또한 생성된 광자들은 고전 역학으로는 설명할 수 없는 양자 얽힘의 결과임을 증명하는 '벨의 부등식'을 위배하는 것으로 확인됐다.
연구팀은 향후 현장에서 활용 가능한 제품을 만들기 위해 밝기와 얽힘의 질을 개선하는 연구를 진행할 계획이다.
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