얽힌 광자로 산란 매질을 양자광에만 투명하게 만드는 기법 구현

고전 파면 조형의 연장선, 그러나 20년 만의 도약

산란 매질을 통과한 빛을 복원하는 파면 조형 기술은 2007년 네덜란드 트벤테대학교의 Allard Mosk·Ivo Vellekoop이 처음 보고했다. 이 기법은 산란된 빛의 강도 분포를 측정한 뒤 공간 광변조기(SLM)로 위상을 조정해 출력광을 재집속한다. 2010년 Sébastien Popoff·Sylvain Gigan은 여기서 한 걸음 더 나아가 입력-출력 사이의 전송 행렬을 구하고 그 역행렬을 초기 파면에 적용하면 원래 빔이 왜곡 없이 복원됨을 보였다. 이후 해당 기법들이 양자광에도 시도됐으나, 기존 접근은 투과광의 강도 정보에만 의존해 빛의 양자적 특성을 실질적으로 활용하지 못했다.

양자 상관관계가 열어주는 추가 해 공간

공간적으로 얽힌 광자쌍을 사용하면, 한 광자의 위치를 측정하는 순간 파트너 광자의 위치가 얽힘 상관관계에 의해 결정된다. 산란 매질은 이 공간 상관관계도 뒤섞지만, SLM으로 그 역과정을 구현해 원래 상관관계를 복원할 수 있다. 핵심은 이때 가능한 해의 수가 고전광보다 훨씬 많다는 점이다. 고전광은 입력-출력 빔 간의 일대일 대응이 정확히 성립해야 산란 매질이 투명해지지만, 얽힌 광자쌍의 경우 동일한 공간 상관관계 분포를 출력에서 재현하는 추가적인 파면 조형 해들이 존재한다. Defienne 팀은 이 이론 도출을 Optica에, 파라핀 필름을 통과한 광자쌍의 상관관계를 단광자 애벌런치 다이오드(SPAD)로 측정·피드백하는 실험 결과를 Nature Physics에 각각 게재했다.

선택적 투과: 양자광에만 열리는 채널

이번 기법의 주목할 응용 가능성은 산란 매질을 얽힌 광자쌍에는 투명하게, 고전광에는 불투명하게 유지하는 선택적 필터 기능이다. 연구팀은 이를 통해 고전적으로 부호화된 위조 신호를 차단하고 양자 상관관계에 실린 정보만 통과시키는 보안 통신 채널 개념을 제시했다. 이른바 광학적 무질서가 능동적·프로그래밍 가능한 양자 필터로 전환되는 셈이다.

기술적 한계와 향후 과제

실험 구현에는 상당한 난점이 따른다. 광자쌍 광원의 세기가 약하고, 산란 매질 내 손실이 크며, 검출기의 불완전성으로 인해 통계적으로 유의미한 데이터를 얻는 데 매우 긴 시간이 필요하다. 연구팀은 필요한 감도와 프레임 속도를 갖춘 SPAD 카메라가 약 5년 전에야 상용화됐기 때문에 이번 실험이 비로소 가능해졌다고 밝혔다. 타타 기초연구소의 Sushil Mujumdar는 이번 성과가 실험 시료 수준에서의 의미 있는 진전임을 인정하면서도, 파라핀보다 두껍고 현실적인 매질(예: 페인트 층)로 확장할 때 신호 광자 수가 급감하는 문제가 여전히 해결해야 할 핵심 과제라고 지적했다. Defienne 팀 자신도 두꺼운 매질에 적합한 새로운 파면 조형 방법을 탐색 중이며, 얽힌 광자 광학의 비선형성을 활용한 양자 저장소 컴퓨팅(quantum reservoir computing) 응용 연구도 병행하고 있다.