한일 연구진, 양자신호의 증폭과 공간이동 동시구현 성공

서울대와 일본국립정보통신기술 연구소 국제공동연구

한일간 연구진이 공동연구를 통해 양자상태의 빛을 증폭시켜 손실 없이 공간이동시키는 데 성공했다.

서울대 물리천문학부 정현석 교수 연구팀은 마사히데 사사키 박사가 이끄는 일본국립정보통신기술 연구소(NICT)와 함께 공동으로 연구, 이같은 내용의 실험에 성공했다고 12일 밝혔다.

이번 성과는 양자통신과 양자암호, 양자컴퓨터 등 신기술 구현에 기여할 것으로 기대된다. 연구 결과는 네이처 포토닉스(Nature Photonics) 5월 12일자 온라인판에 게재됐다.

양자(quantum) 상태란 하나의 입자가 거리상 떨어진 두 장소에 동시에 존재하는 등 고전물리학으로는 설명할 수 없는 물리학 영역으로 주로 전자나 광자들이 이러한 상태를 가진다고 알려져 있다.

양자상태의 빛은 0과 1 두가지로 구현되는 기존의 컴퓨터 연산방식과는 달리, 여러 양자상태의 중첩을 이용해 고용량의 정보를 담는다.

이는 수십억 년 간 풀어야 할 연산을 단 20분 만에 해결할 수 있는 양자컴퓨터나 해킹이 불가능한 안전한 통신에 응용될 수 있다.

하지만 지금까지는 양자상태 빛의 손실을 막고 증폭시키는 데엔 한계가 있었다. 양자상태의 공간이동은 100km 이상까지 보고된 바 있지만 전송 후 원래의 양자상태가 손상되어 신뢰도가 낮았다.

특히 양자 빛의 세기가 강할수록 손실이 더 크기 때문에 신호가 강한 양자상태는 이동이 불가능해 실용화의 한계로 지적돼 왔다. 국제연구팀은 이번 실험에서 양자상태 빛의 손실을 막는데서 나아가 이를 증폭해 이동시키는 방법까지 고안해 낸 것.

연구팀에 따르면 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 구현해냈다.

정현석 교수는 “별개의 방법으로 여겨졌던 양자 신호증폭과 양자 공간이동이 동시에 가능하게 됨에 따라 안정적인 장거리 양자 통신과 빛을 이용한 양자컴퓨터 구현이 앞당겨질 것”이라고 말했다.