노스웨스턴대, 상용 통신망 위 24.4km 양자 얽힘 분배 첫 실증

실험 개요와 배경

노스웨스턴대 McCormick 공과대학의 Prem Kumar 교수팀이 에반스턴 캠퍼스에서 시카고 도심 StarLight 국제 통신 교환 시설까지 이어지는 실제 매설 광섬유를 활용해 얽힌 광자 쌍 분배 실험을 수행했다. 결과는 2026년 7월 20일 Optica Quantum 학술지에 게재됐다. 이 실험은 현대 상용 통신 트래픽이 동시에 흐르는 광섬유를 통해 원격 두 지점 간 얽힘 분배를 실증한 세계 최초 사례로 의미를 갖는다.

왜 이 실험이 어려운가

기존 인터넷 신호는 수백만 개의 광자로 이뤄진 강한 신호를 사용하는 반면, 양자 신호는 단일 광자를 매개로 한다. 광섬유 내부에서 고전 신호가 유발하는 비선형 산란과 잡음은 단일 광자 수준의 양자 상태를 쉽게 붕괴시킨다. 이번 실험에 쓰인 광섬유는 800기가비트/초 데이터 채널 2개를 포함해 이론상 36테라비트/초에 달하는 고전 데이터를 전송할 수 있는 용량을 갖추고 있었다.

파장 분리와 피코초 동기화

연구팀은 두 가지 핵심 기술로 문제를 해결했다. 첫째, 파장 분할 다중화(WDM) 기술을 통해 양자 광자를 상용 신호가 거의 사용하지 않는 O-밴드 영역에 배치하고, 고전 통신은 C-밴드에 가두었다. 추가 필터로 잡음을 차단하는 이 접근법은 2024년 실험실 내 30킬로미터 케이블 실험에서 양자 순간이동을 구현하며 이미 원리를 검증한 바 있다. 둘째, 두 원격 지점의 타이밍을 White Rabbit 광학 동기화 시스템으로 피코초 수준까지 맞추었다. 이 정밀 동기화가 없다면 대량의 배경 트래픽 속에서 얽힌 광자 쌍을 실시간으로 식별하는 것이 불가능하다. 초전도 나노선 단일광자 검출기(SNSPD)와 시간-디지털 변환기(TDC)가 검출 계열을 담당했다.

실험 결과와 의의

최종 측정에서 얽힘 충실도는 94% 이상으로 확인됐다. 이 수치는 어떤 고전 통신 시스템도 재현할 수 없는 수준이다. 이번 실증의 실질적 가치는 별도의 양자 전용 광섬유 인프라 없이도 기존 통신망을 공유하는 방식으로 양자 네트워크를 구축할 수 있는 경로를 제시했다는 점에 있다. 새 인프라 구축 비용과 시간을 절감할 수 있다는 의미다.

다음 단계와 남은 과제

연구팀의 다음 목표는 상용 트래픽이 흐르는 실제 도시 광섬유망 위에서 양자 순간이동을 구현하는 것이다. 얽힘 분배가 양자 순간이동의 첫 단계라면, 실제 정보 전송이 두 번째 단계에 해당한다. Kumar 교수는 실험실 내에서는 이미 양자 순간이동을 구현했으나 실세계 조건에서의 실증은 아직 과제로 남아 있다. 또한 이번 실험은 양자 중계기 없이 24.4킬로미터를 직접 연결한 것이기 때문에, 도시 단위를 넘어 더 넓은 거리로 확장하려면 중계기 기술의 성숙이 별도로 필요하다는 점이 한계다.