극한 손실 환경에서 다중모드 압축광의 양자 특성 측정 성공

압축광이 가진 근본적 취약성

레이저 빛조차 샷 노이즈라 불리는 전자기장 요동을 피할 수 없다. 양자 스퀴징(squeezing) 기법은 이 노이즈를 샷 노이즈 이하로 낮출 수 있으며, LIGO 중력파 관측소에서 감도 향상에 실제 활용될 만큼 성숙한 기술이다. 그러나 압축광은 손실에 극도로 민감하다. 경로상 아주 작은 손실만으로도 측정 단계에서 양자 특성이 완전히 사라지는 것이 그간 실용화를 가로막는 핵심 장벽이었다. 단일 모드도 다루기 어려운 마당에, 여러 독립 채널로 정보를 동시에 전달할 수 있는 다중모드 압축광을 측정하는 일은 훨씬 복잡한 문제였다.

증폭 선행 방식으로 손실 내성 확보

MPL 양자복사연구그룹의 마리아 체코바(Maria Chekhova) 교수 연구팀은 측정 순서를 뒤집는 방법을 택했다. 먼저 다중모드 광 파라메트릭 증폭기(MOPA)를 이용해 빛을 증폭한 뒤 측정에 나선 것이다. MOPA는 잡음을 추가하지 않고 신호만 키울 수 있어, 이후 발생하는 손실을 견디기에 충분한 여분의 신호를 확보해준다. 증폭된 빛은 공간 광 변조기(SLM)로 각 모드별로 분리됐는데, 이 분리 과정 자체에서 99.7% 이상의 광량이 손실됐다. 통상적인 조건이라면 양자 특성이 완전히 소멸하는 수준이지만, 사전 증폭 덕분에 양자 정보는 측정 가능한 형태로 남았다.

7.9 dB 압축도와 8개 모드 동시 얽힘 확인

연구팀은 최대 7.9 dB의 압축도를 달성했다. 이는 이상적인 레이저 대비 노이즈 수준이 약 6분의 1에 해당하는 수치다. 동시에 모니터링한 나머지 8개 모드 전체에서도 유의미한 압축과 높은 순도가 관측됐으며, 복수의 모드 그룹 간에 양자 얽힘도 확인됐다. 이 연구는 MPL과 프리드리히-알렉산더 대학(FAU·독일), 브라질 물리학연구센터(CBPF), 카스틀러 브로셀 연구소(LKB·프랑스)가 참여한 4개국 공동 작업이며, 제1저자는 FAU 박사과정생 마흐무드 칼라쉬(Mahmoud Kalash)다.

의미와 한계

이번 연구가 주목받는 이유는 '통제된 실험 환경에서 손실 없이' 라는 기존 전제를 벗어났다는 점이다. 다중모드 양자 광원은 병렬 채널을 통해 동시에 많은 정보를 처리할 수 있어 고차원 양자 정보 처리나 복잡한 양자 네트워크 구성의 자원으로 평가받는다. 다만 이번 결과는 실험실 내 원리 검증 수준이다. SLM 기반 모드 분리 방식이 모드 수를 크게 늘렸을 때도 효율적으로 작동하는지, 그리고 실제 통신 환경이나 외부 네트워크에 적용했을 때도 동일한 결과를 유지할 수 있는지는 후속 연구가 필요하다.