한·일 연구진, 양자상태 빛 증폭시켜 공간이동

국내 연구진이 국제 공동연구를 통해 양자상태의 빛을 증폭시켜 손실 없이 공간 이동시키는데 성공했다.

미래창조과학부는 13일 서울대 물리천문학부 정현석 교수 연구팀과 일본국립정보통신기술 연구소가 양자신호의 증폭과 공간이동을 동시에 구현하는 국제공동연구에 성공했다고 밝혔다.

이를 통해 양자통신과 양자암호, 양자컴퓨터 등 구현에 기여할 것으로 기대된다.

양자상태란 하나의 입자가 거리상 떨어진 두 장소에 동시에 존재하는 등 고전물리학으로는 설명이 불가능한 물리계의 상태를 의미한다.

양자상태의 빛은 양자상태의 중첩을 이용해 고용량의 정보를 담을 수 있기 때문에 양자컴퓨터나 해킹이 불가능한 안전한 통신에 응용될 수 있다.

양자상태의 공간이동은 100km 이상까지 보고된 바 있지만 전송 후 원래의 양자상태가 손상돼 신뢰도가 낮았다. 또한 전송 중에 주변 물질과의 상호작용으로 양자특성이 파괴되거나 신호의 강도가 약해지는 것이 문제였다.

특히 양자 빛의 세기가 강할수록 손실이 더 크기 때문에 신호가 강한 양자상태는 보내는 것이 불가능해 실용화의 한계로 지적됐다.

그러나 연구팀은 양자상태 빛의 손실을 막는 데서 나아가 이를 증폭시키면서 이동시키는 방법을 구현했다.

연구팀은 얽혀 있는 두 양자 상태의 빛을 한 쪽은 세기가 강하고 다른 한 쪽은 약하게 조작한 후에 빛의 세기가 강한 부분을 신호증폭에 사용하고 약한 부분을 장거리 전송채널로 사용하는 새로운 방법으로 신호증폭과 공간이동을 동시에 실현했다.

실제 중첩상태의 양자 빛을 적절한 비율로 나눠 주는 빛살 가르개를 이용해 비대칭적으로 얽혀 있는 양자상태들의 빛을 만들어내고 송신자가 보낸 약한 신호의 양자 빛이 수신자 측에서 크기만 증폭된 형태로 재생되는 것을 최종 확인했다.

정 교수는 “별개의 방법으로 여겨졌던 양자 신호증폭과 양자 공간이동이 동시에 가능해져 안정적인 장거리 양자 통신과 빛을 이용한 양자컴퓨터 구현이 앞당겨질 것”이라고 밝혔다.

김은경 기자 cr21@