중국 연구팀, 광섬유 420km 구간 양자 메모리 얽힘 세계 신기록

연구 배경: 광섬유 전송의 지수적 손실 문제

광섬유는 현재 세계 통신 인프라의 핵심이지만, 유리 섬유는 완전히 투명하지 않아 매 킬로미터마다 일정 비율의 광자가 흡수된다. 이 흡수율은 거리에 따라 기하급수적으로 누적되어, 장거리에서 단일 광자가 도달할 확률은 급격히 감소한다. 지금까지 얽힌 광자가 양자 정보를 보존한 채 이동한 최장 기록은 404km였으나, 양자 메모리와의 얽힘을 유지하는 거리는 이보다 훨씬 짧은 수준에 머물러 있었다.

DLCZ 방식: 중간 지점 비교를 통한 얽힘 생성

연구팀은 '두안-루킨-시라크-졸러(DLCZ)' 방식을 채택해 장거리 문제를 우회했다. 기존의 직접 전송 방식이 얽힌 광자 쌍 모두를 양 끝단까지 전달해야 하는 것과 달리, DLCZ 방식에서는 양 끝단에 각각 극저온으로 냉각된 원자 구름을 배치한다. 각 원자 구름은 자신의 양자 상태 정보를 담은 단일 광자를 방출하고, 이 광자들은 광섬유 중간 지점에서 만나 비교된다. 두 광자의 간섭이 확인될 경우, 두 원자 구름이 직접 접촉하지 않고도 얽혀 있음이 확인된다.

기술 구현: 통신 파장대 변환과 위상 안정화

실험 성공의 배경에는 두 가지 핵심 기술이 있다. 첫째, 원자 구름이 방출하는 광자를 통신 표준 파장대로 변환해 광섬유 내 전송 손실을 크게 낮췄다. 둘째, 수백 킬로미터에 걸친 광섬유에서 발생하는 미세 진동과 온도 변화로 인한 위상 오차를 실시간으로 보정하는 안정화 시스템을 별도로 구축했다. 두 광자가 중간 지점에 정확한 타이밍에 도달해 간섭이 일어나야 하는 만큼, 이 위상 안정화는 실험의 핵심 요소였다.

성과의 의미와 남은 과제

이번 연구의 의미는 단순한 거리 기록 경신에 그치지 않는다. 320km 이상 구간에서 메모리 없는 직접 전송 방식의 이론적 최적 한계를 메모리 기반 방식이 실험적으로 처음 초과함으로써, 장거리 구간에서 양자 메모리 네트워크의 실질적 우위가 확인됐다. 이 결과는 양자컴퓨터 간 장거리 연결과 국가 단위 양자 통신망 구축으로 이어지는 기술적 경로를 실험적으로 뒷받침한다. 다만 현재 실험은 두 노드 간 얽힘 생성에 국한되어 있으며, 실용적인 양자 인터넷 구현을 위해서는 다중 노드 연결, 양자 중계기 통합, 충실도 유지 등 추가적인 기술 과제가 남아 있다.