브룩헤이븐·스토니브룩, 미국 최초 21km 자유공간 양자링크 실증

실증 개요: 자유공간 광학 링크의 미국 첫 상설 운용

스토니브룩 캠퍼스에 위치한 '양자 감시탑(Quantum Watchtower)'과 브룩헤이븐 연구소의 '양자 등대(Quantum Lighthouse)' 사이에 구축된 이 링크는 기존 광섬유망을 벗어나 단일 광자 및 얽힘 광자 쌍을 대기 중으로 직접 전송한다. 161마일(약 259km), 8개 노드로 구성된 기존 롱아일랜드 광섬유 양자 네트워크에 최초의 비유선 구간이 추가된 셈이다.

적응광학 시스템: 대기 교란 극복의 핵심

지표면 근처의 저고도 대기는 열변화·바람·구조물 등으로 인해 광자의 파면을 왜곡하며, 이는 단일 광자의 공간 가간섭성 손실과 결합 실패로 이어진다. 연구팀은 천문 관측용 Vera C. Rubin 천문대 설계를 응용해 이 문제에 대응했다. 발신단에서는 5마이크로미터 코어 광섬유에서 출사된 빔을 지름 0.6미터 반사 망원경으로 확장하고, 수신단에서는 킬로헤르츠 주파수로 동작하는 변형 가능 거울이 실시간 파면 보정을 수행해 다시 5마이크로미터 광섬유로 집속한다. 또한 이 링크는 통신 대역(약 1550nm) 대신 원자계 및 양자 처리기 고유의 적외선 파장을 그대로 활용할 수 있어, 파장 변환 과정 없이 원격 원자 메모리와의 직접 얽힘 채널 구성이 가능하다.

얽힘 검증: 야간에서 주간으로

2026년 8월 19일 오전 0시 26분(미국 동부시간), 양자 등대에서 감시탑 발신 얽힘 광자 쌍의 도달이 최초로 확인됐다. 이후 연구팀은 주간 조건에서도 단일 광자 광학 추적 및 빔 안정화를 검증하며, 주야간 모두 안정적으로 운용 가능한 링크임을 입증했다.

확장 계획: 예일대 연결과 위성 기반 양자 통신

세 번째 광학 시설이 코네티컷주 뉴헤이번의 예일대학교에 구축 완료됐으며, 연구팀은 롱아일랜드 사운드를 가로지르는 약 48km 자유공간 얽힘 링크로 뉴욕-코네티컷 양자 노드를 연결할 준비 중이다. 스토니브룩 양자연구소장 Eden Figueroa 박사와 브룩헤이븐 연구원 Justine Haupt의 주도 아래, 구축된 옥상 망원경 인프라는 저궤도(LEO) 위성 추적에도 활용할 예정이며, 이를 통해 위성 기반 양자 키 분배(QKD) 및 분산 양자 컴퓨팅의 지상국 기반을 마련한다는 계획이다.

재원 및 정책적 맥락

이번 성과는 DOE 과학국, 미국 국립과학재단(NSF), 뉴욕주 Empire State Development(3억 달러 규모의 SUNY 스토니브룩 양자혁신허브 재원 포함)의 지원 아래 이루어졌으며, DOE Genesis Mission 프레임워크에 따른 지역 분산 양자 네트워크 구축의 일환이다. 자유공간 링크 기술 성숙도와 연계 인프라 확보 수준이 향후 국가 양자 인터넷 아키텍처의 구체적 경로를 제시한다는 점에서 의미를 갖는다. 다만 대기 조건에 따른 링크 가용성 변동, 장거리 확장 시 손실 누적 등은 지속적인 기술 과제로 남는다.