양자 메모리로 광학 망원경 장기선 간섭계 실현 가능성 제시

광학 망원경 기선의 근본적 한계

전파망원경은 수천 킬로미터 떨어진 복수의 관측소를 연결하는 초장기선 간섭계(VLBI) 기법으로 탁월한 각분해능을 확보한다. 2019년 블랙홀 최초 촬영에 성공한 사건지평선망원경(Event Horizon Telescope)이 대표적 사례다. 반면 적외선·가시광 영역에서는 단일 광자 단위의 에너지 입자성이 문제가 된다. 광자를 먼 거리에 걸쳐 중앙 검출기까지 전송하면 손실이 불가피하고, 결과적으로 현재 광학 간섭계의 기선 길이는 약 300m 수준에 묶여 있다.

2012년 이론 제안과 양자 메모리 도입

캐나다 페리미터 이론물리학연구소(당시)의 Daniel Gottesman이 2012년 제안한 방식은, 중앙에서 얽힌 광자쌍을 생성해 두 검출 지점을 동일한 양자 상태로 만드는 것이었다. 이렇게 하면 입사 광자의 '어느 경로' 정보를 숨긴 채 각 지점에서 효과를 측정할 수 있어 광자를 물리적으로 중앙으로 모을 필요가 없다. 그러나 당시에는 얽힘 분배 속도가 망원경의 분광 대역폭에 맞먹어야 한다는 조건이 실용화의 걸림돌로 평가됐다. 2019년 하버드대 Mikhail Lukin 연구진이 이 구조에 양자 메모리를 통합하는 새 방안을 제시하면서 실험적 구현의 발판이 마련됐다.

실험 구현: 다이아몬드 결함 큐비트

이번 연구에서 팀은 다이아몬드 내 실리콘-공백(silicon-vacancy) 센터로 큐비트를 구성했다. 이 구조에서는 광자와 상호작용하는 전자의 스핀 정보를 안정성이 훨씬 높은 핵 스핀에 매핑함으로써 긴 결맞음 시간을 확보할 수 있다. 연구진은 중앙 레이저를 결맞음 광원으로 이용해 큐비트가 준비 완료 상태임을 사전에 확인하는 '예고된 얽힘(heralded entanglement)'을 생성했다. 인접 실험실에 배치된 두 검출기와 인공 광원을 이용해 1.5km 광섬유에서 진공 요동 수준을 초과하는 광자 검출을 실증했다.

남은 과제와 중국의 병행 연구

연구진 스스로 인정하듯 실제 천문 관측에 적용하려면 얽힘 생성 속도를 대폭 높여야 하며, 실리콘-공백 센터의 협소한 수광 대역폭도 극복해야 할 과제다. 현재 달성된 속도는 실용적 망원경 운용에 필요한 수준에 크게 못 미친다. 한편 중국의 Jian-Wei Pan 연구진도 유사한 결과를 얻었다고 알려졌으나, 해당 연구는 아직 동료 심사를 거치지 않았다. 캐나다 워털루대의 Yujie Zhang은 기존 분산 양자통신 연구와의 차별점으로, 환경 정보(별빛)를 양자 메모리에 직접 매핑해야 한다는 점을 꼽았다.