독립된 광자쌍 사이의 HOM 양자간섭 실험적으로 측정
원자 증기 셀에서 생성되는 고품질의 연속 동작 양자광원
[대전=일요신문]육심무 기자 = 차세대 통신 기술로 주목받는 양자통신은 복제가 불가능하기 때문에 고전적인 광신호 복제 방법을 사용할 수 없다.
양자리피터 구현을 위해서 필수적인 독립적인 양자광원들 사이에 양자간섭 효과 측정에 대한 연구는 독립적인 양자광원에서 생성된 광자들이 우연히 같은 시간에 동시에 도착하는 광자쌍들에 의한 효과를 측정하는 것으로 낮은 확률을 가지고 있다.
따라서 오랜 시간동안 측정한 광자들로부터 양자간섭 신호를 확인하기 때문에 실질적인 양자네트워크에 적용하기 위해서 어려움이 많았다.
한국연구재단은 부산대 문한섭 교수 연구팀이 원자 증기 매질을 이용하여 생성된 두 독립된 광자쌍 사이의 HOM 양자간섭을 실험적으로 측정해냈다고 31일 밝혔다.
원자 증기 매질은 빛이 진행할 수 있는 무반산 코팅된 창이 있는 고진공 상태의 쿼츠 셀(quartz cell)에 순수한 원자를 넣고 밀봉하여 순수한 원자 증기 상태로 있는 매질이며,. HOM(Hong-Ou-Mandel) 양자간섭은 두 경로로 진행하던 광자들이 광분리기에서 만났을 때, 두 광자가 뭉쳐서 각각의 경로로 진행하는 양자간섭 현상을 일컬는다.
차세대 통신 기술로 주목받는 양자통신에서는 큐비트라는 양자상태를 이용하는데, 이 큐비트는 복제할 수도 없고 양자상태의 측정을 통해서 신호를 다시 보내는 것이 불가능해 해킹으로부터 가장 안전한 통신 방법으로 기대된다.
큐비트(Qbit, quantum bit)는 양자정보의 단위로서, 빠른 계산속도, 복제 불가능성, 양자 측정의 비가역성 등의 특징이 있다.
광통신은 신호를 증폭·복원하는 장치를 활용하여 장거리 신호 전달이 가능하게 하는 반면, 양자통신은 복제가 불가능하기 때문에 고전적인 광신호 복제 방법을 사용할 수 없다.
양자 리피터를 개발하여 장거리 양자통신을 가능하게 하기 위해서는 광자 사이의 양자간섭 현상을 측정하는 기술이 핵심적이다.
연구진은 양자 리피터(Quantum Repeater)는 양자상태를 측정하지 않고 양자간섭을 측정하여 양자상태를 연결하는, 양자통신 중계 장치다. 연구팀은 매우 간단한 원자 매질을 이용하여 고효율 양자광원이 연속적으로 발진하는 기술을 개발하고 이를 통해 독립적인 두 양자광원 사이에 HOM 양자간섭을 선명하게 측정해냈다.
기존 연구에서는 펄스형태의 양자광원 또는 냉각된 원자에서 생성된 양자광원을 사용하여, 독립적인 양자광원들 사이에 시각 동기가 필요하고 양자광원 구현이 비효율적이고 시스템이 복잡하며, 양자간섭 신호 측정에 몇 시간 이상 소요되었다.
반면, 이번에 개발된 기술로는 시각동기 없이 단 15분의 측정만으로도 독립적인 양자광원들 사이의 양자간섭을 관측할 수 있어 획기적인 기술적 발전을 이루었다.
문원섭 교수
문한섭 교수는 “이 연구는 순수 국내 기술로 원자 매질을 이용한 고효율 양자광원을 개발하고 독립적으로 동작하는 두 양자광원 사이에 고효율 양자간섭을 확인한 것”이라며 “높은 광자 생성율을 가진 우수한 양자광원의 개발과 이를 이용한 양자간섭 측정의 성공은 장거리 양자통신 구현을 위한 핵심적인 기술 구현에 있어서 중요한 진보”라고 설명했다.
이번 연구에서 높은 광자 생성률을 갖는 원자 매질에서 얻어진 양자광원을 개발하고 개발된 두 독립적인 양자광원을 이용하여 양자간섭 현상을 짧은 시간의 측정으로 매우 고품질의 양자간섭 신호를 측정하는데 성공하였고, 이 결과는 장거리 양자통신의 핵심 기술로 알려진 양자리피터 개발에 중요한 기술의 구현됨으로써 양자네트워크 구현을 위해서 중요한 기술적인 진전을 이룰 수 있게 되었다.
연구에서 사용된 원자 증기 셀 기반의 연속적으로 생성되는 양자광원은 장치의 간단함과 높은 품질의 양자광원 특성 등의 장점을 가지고 있기 때문에 기존의 연구결과들과 비교하여 측정시간의 단축과 안정성 뿐만 아니라 소자로 개발될 수 있는 가능성을 가짐으로써 미래 양자네트워크 구현을 위한 중요한 기술적 발전을 이루었다는 우수성을 보여주었다.
이 연구 성과는 과학기술정보통신부․한국연구재단 기초연구지원사업(개인연구) 지원으로 수행되었다. 광학 분야 국제학술지 옵티카(Optica) 9월 28일자 논문으로 게재되었다.
(논문명 : Quantum Interference between Autonomous Single-Photon Sources from Doppler-Broadened Atomic Ensemble)
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