동중국사범대, 100채널 병렬 양자 순간이동 실험 구현

연구 배경과 동기

양자 통신망은 서로 다른 위치에 있는 양자 장치들 사이에서 정보를 교환하는 노드들의 집합체다. 이 구조에서 양자 순간이동(quantum teleportation)은 핵심 기술 중 하나로, 두 양자계 사이의 얽힘(entanglement)을 활용해 한쪽의 양자 상태를 다른 쪽으로 전달한다. 동중국사범대 Jietai Jing 교수 연구팀은 기존 단일·소수 채널 방식을 넘어 100개 채널을 동시에 처리하는 구조를 구현하고자 했다. 연구팀은 궤도각운동량 다중화 등 다양한 접근을 탐색해 온 과정에서, 자연적으로 공간 분리된 광학 모드가 대규모 병렬 처리에 더 직접적이고 재구성 가능한 경로를 제공한다는 점을 인식했다.

실험 구성 핵심 요소

실험은 크게 두 단계로 이루어진다. 첫째, 컴퓨터로 생성된 홀로그램을 표시하는 프로그래머블 공간 광 변조기(spatial light modulator)를 이용해 빛을 10×10 배열, 즉 100개의 독립적으로 제어 가능한 광학 모드 배열로 성형했다. 이 배열은 변조기의 패턴을 갱신하는 방식으로 재구성할 수 있다. 둘째, 고온 루비듐 증기에서 사파동 혼합(four-wave mixing)을 이용해 각 모드에 대응하는 EPR 얽힘 배열을 생성했다. 펌프 빔은 배열 전체가 유사한 비선형 상호작용을 경험하도록 균일한 탑햇(top-hat) 프로파일로 성형됐다. 수신부에서는 광학 피드포워드 방식을 통해 100개 채널 전체에 복원에 필요한 변위 연산을 개별 측정 없이 일괄 적용했다.

실험 결과와 충실도

연구팀은 이 구조를 이용해 알파벳 'Q' 형태의 이미지를 양자 순간이동 방식으로 전송하는 실험을 수행했다. 얻어진 충실도(fidelity)는 해당 고전적 한계를 초과했다. 10×10 입력 배열과 EPR 얽힘 배열이 동일한 파라메트릭 증폭기의 위상 정합 조건을 만족하도록 설계됨으로써, 100개 모드 전체가 단일 사파동 혼합 매질에서 동시에 처리될 수 있었다.

한계와 향후 과제

현재 실험에서 10×10 배열의 규모는 주로 저잡음 파라메트릭 증폭기에 공급 가능한 펌프 출력에 의해 제한됐다. 연구팀은 고출력 레이저나 테이퍼 증폭기를 활용하면 더 큰 배열로의 확장이 가능할 것으로 전망한다. 또한 순간이동을 넘어 대규모 양자 상태 생성 및 기타 병렬 양자 정보 프로토콜에도 동일한 공간 확장 구조를 적용하는 방향으로 연구를 이어갈 계획이다. 다만, 이번 실험이 실험실 환경에서의 원리 검증 수준임을 고려하면, 실제 네트워크 노드 간 장거리 연결로의 적용에는 추가적인 기술 과제가 남아 있다.

의미와 전망

이번 연구는 연속변수 광학 양자 통신에서 채널 수를 비약적으로 늘리는 확장 가능한 구조를 실험적으로 제시했다는 점에서 의미가 있다. 다중 노드 양자 네트워크, 분산 양자 정보 처리, 다중 모드 동시 연산 등 미래 양자 통신 인프라의 핵심 요소들과 직접적으로 연결되는 아키텍처다.