파동성질 빛과 입자성질 빛의 얽힘 상태 실증

 

 

- 성질이 서로 다른 빛의 얽힘 구현으로 양자컴퓨터 실용화 돌파구 마련 -

 

 

 

 한국과 이탈리아의 국제 공동연구진이 파동성질의 빛과 입자성질의 빛 사이에 얽힘*을 만들어냈다. 파동과 입자 두 가지 성질을 갖고 있는 빛은 각각 정보 연산과 전송이라는 장점을 가지고 있어 향후 양자컴퓨터** 구현을 위한 실마리가 될 것으로 기대된다.

* 얽힘 : 물리계가 서로 분리되었음에도 불구하고 어느 한쪽의 상태가 결정되면 다른 쪽 상태도 그 결과에 따라 결정되는 현상
     ** 양자컴퓨터 : 사람이 경험하는 거시세계에서는 불가능한 주로 미시세계의 아주 작은 전자나 광자 같은 양자(quantum)를 이용한 정보처리방식으로 컴퓨터. 암호해독 분야에서 기존의 한계를 뛰어넘을 것으로 기대를 모으고 있다.

 서울대 물리천문학부 정현석 교수와 이탈리아 광학연구소 마르코 벨리니 박사가 이끄는 연구팀*이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 리더연구자지원사업의 지원으로 수행되었다. 연구결과는 네이처 포토닉스(Nature Photonics) 온라인판 6월 23일자로 게재되었고, 7월 출간되는 논문의 표지논문으로 게재될 예정이다. ※ 논문명 : Generation of hybrid entanglement of light

* 정현석교수 연구팀에서 이론을 제시하고 이탈리아 연구팀에서 이론을 실증

 

 성질이 다른 빛의 얽힘은 실용적인 양자컴퓨터 구현에 중요하다. 연산이 필요한 경우 파동성질의 빛을 통해 연산하고, 전송이 필요한 경우에는 입자성질의 양자 빛을 통해 전송하는 등 효율적인 정보처리가 가능하기 때문이다.

 하지만 이러한 얽힘은 상호작용하지 않으려는 입자성질 빛 간의 강한 상호작용을 유도해야하기 때문에 구현이 어려웠다. 기존에도 둘의 상호작용을 유도할 수는 있었으나 얽힘을 만들 수는 없었다.

 이에 연구팀은 양자 중첩의 원리*를 이용해 양자 빛 입자간 직접적 상호작용 없이 양자 빛과 파동성질 빛의 얽힘을 만들어냈다.

* 양자 중첩의 원리 : 서로 구별되는 두 상태가 어느 쪽인지 결정되지 않은 상태로 혼재되어 있을 수 있다는 것으로 양자물리학의 기본이 되는 원리이다.

 

 파동성질의 빛은 전송은 어려우나 연산이나 측정이 원활한 반면 입자성질을 가진 양자 빛은 전송은 효율적이나 연산이나 측정에서 오류가 발생하기 쉽다. 하지만 이들 둘이 얽히는 경우 효율적인 전송과 연산이라는 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 있게 된다.

 이러한 얽힘으로 파동성질의 빛을 이용한 정확한 연산과 광자를 이용한 빠르고 손실이 적은 전송 두 가지 장점을 모두 얻을 수 있어, 앞으로 양자컴퓨터 구현에 돌파구가 될 것으로 기대된다.

 

 연구팀은 광자* 하나를 각각 파동성질의 빛과 진공에 더하는 상황을 양자물리학적으로 중첩시키기 위하여 광자가 어느 쪽으로 더해졌는지에 대한 정보를 지워버리는 방식을 이용하였다.

 단일 광자간 얽힘이 아닌 단일 광자와 성질이 다른 파동성질 빛과의 얽힘을 실험적으로 구현한 것은 이번이 처음이라는 설명이다.

* 광자 : 빛의 에너지의 최소단위를 가지는 빛의 입자

 

 한편 연구팀은 양자컴퓨터 구현을 위한 중간단계로 양자 빛에 담긴 정보를 파동성질 빛으로 순간 이동시키는 연구에 도전할 계획이다.

 정 교수는 “성질이 다른 두 물리계의 얽힘을 빛의 상태로 구현함에 따라, 파동과 입자 세계를 연결하고 빛을 이용한 양자컴퓨터를 실용적으로 구현하는 데 한걸음 더 가까이 다가선 것”이라고 밝혔다.

 

 

그림. 빛의 이종(異種)얽힘 구현 방법
진공(위쪽 붉은 화살)과 고전 빛(아래쪽 붉은 화살)을 준비한 후 단일광자를 생성하는 두 개의 장치(회색)가 각각 하나씩 진공과 고전 빛에 단일 광자를 더할 수 있도록 배열한다.

단일광자 생성장치는 반드시 하나의 쌍(pair)으로 광자들을 만들어 내기 때문에 각각의 단일광자 생성장치가 광자를 생성해냈는지는 생성장치와 연결된 광자검출기로 확인할 수 있다. 광자를 검출하기 전에 빛살 가르개(청색)를 이용하여 광자검출기에서 검출된 광자가 어느 쪽 생성장치에서 왔는지에 대한 정보를 지워버린다.

광자검출기에서 단 하나의 광자가 검출될 경우 두 개의 단일광자 생성장치 중 어느 하나에서 단일광자가 만들어진 것은 확실하지만 검출된 광자가 빛살 가르개를 투과해서 왔는지 반사되어 왔는지 알 수 없다. 즉 두 개의 단일광자 생성장치 중 어느 쪽에서 광자가 생성된 것인지 알 수 없게 된다. 그 결과 단일광자가 진공에 더해진 경우와 고전 빛에 더해진 경우의 양자 중첩을 만들어진다. 즉 한 쪽이 진공으로 남아 있으면 다른 쪽은 광자 하나가 더해진 고전 빛이 되며, 진공에 광자 하나가 더해져서 단일광자 상태가 되면 다른 쪽은 원래의 고전 빛으로 남아있게 된다. 이러한 방법으로 단일 광자와 고전 빛이 얽혀있는 상태(양자-고전 얽힘)가 구현된다.  

 

 

정현석 교수

                       서울대학교 자연과학대학 물리천문학부

 ○ 1990~1996 : 서강대학교 물리학 학사
 ○ 1997~2000 : 서강대학교 물리학 석사
 ○ 2000~2003 : Queen’s University Belfast(영국) 이론물리학 박사 

 ○ 2003~2008 : University of Queensland 양자컴퓨터연구센터 연구원
 ○ 2008~현재 : 서울대학교 물리천문학부 조교수, 부교수
 ○ 2010~현재 : 미래부?연구재단 지정 “거시양자제어연구단” 창의연구단장

 ○ 2010~현재 : 미래창조과학부?한국연구재단 리더연구자지원사업

 

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전재표 기자 su1359m@hanmail.net
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