태양광으로 광자 얽힘 생성 성공 — 레이저 없는 양자광원 첫 야외 실증

왜 태양광인가 — 에너지 문제와 접근성

현재 양자기술 분야에서 얽힘 광자를 만들 때는 거의 예외 없이 레이저를 사용한다. 레이저는 단색·간섭성(coherent) 광원이어서 비선형 결정을 통한 광자 생성에 유리하지만, 높은 전력 소비와 정밀 냉각·안정화 장비가 수반된다는 단점이 있다. 양자 시스템을 대규모로 확장할 경우 에너지 부담은 더욱 커질 수밖에 없다. 이번 연구는 태양광처럼 자연에서 풍부하게 얻을 수 있는 비간섭성(incoherent) 광원을 이용해 이 문제를 우회할 수 있음을 실험으로 입증했다는 점에서 주목된다.

비간섭성 광원으로 얽힘을 만드는 원리

오타와대학교 Robert Boyd 연구팀은 이전 연구에서 LED처럼 비간섭성인 광원도 편광 얽힘 광자쌍을 생성할 수 있다는 사실을 이론·실험적으로 확인한 바 있다. 핵심 아이디어는 '얽힘이 편광이라는 단일 자유도에만 존재한다면, 펌프 광원의 공간적·시간적 비간섭성은 얽힘 품질에 영향을 주지 않는다'는 것이다. 빛의 방향이나 색이 제각각이더라도 편광 방향의 정렬만 유지되면 자발 매개변수 하향변환(SPDC, Spontaneous Parametric Down-Conversion)을 통해 품질 높은 편광 얽힘 광자쌍을 얻을 수 있다. 이번 연구에서는 이 이론을 태양광에 적용했다. 연구팀은 광대역·고발산성을 갖는 태양광을 단일 편광 방향으로 정렬한 뒤 펌프 광원으로 활용했다.

태양광 집광 기술 — 핵심 하드웨어

태양광을 밀리미터 크기의 비선형 결정에 정밀하게 집속하는 것은 별도의 기술적 도전이었다. MPL Hanieh Fattahi 팀은 원뿔 형태의 전유리(all-glass) 태양광 집광기를 새롭게 개발했다. 일반 가정 창문 크기의 프레넬 렌즈로 태양광을 모은 뒤, 원뿔형 집광기를 통해 머리카락 굵기 수준의 광섬유로 압축하는 방식이다. 압축된 광선은 SPDC가 일어나는 비선형 결정에 집속된다. 전체 집광·추적 모듈은 태양 추적 모터 위에 탑재되어 안정적인 전력 공급이 가능하도록 설계됐고, 얽힘 생성·검출부는 차광 텐트 안에 위치한 광학 인클로저로 외부 빛을 차단했다.

야외 실험 결과 — 충실도 94%, 벨 부등식 위반 확인

MPL 야외 환경에서 진행된 실험에서, 양자 상태 단층촬영(quantum state tomography) 분석 결과 생성된 얽힘 상태는 완벽한 얽힘 상태와 약 94%의 유사도를 보였다. 또한 광자쌍 간 상관관계가 벨 부등식을 위반함으로써 고전 물리학으로는 설명되지 않는 순수 양자 효과임이 확인됐다. 연구팀에 따르면 이 수치는 레이저 기반 SPDC와 비교할 때 입력 광원의 대역폭 차이를 보정하면 동등한 수준이다.

한계와 향후 전망

이번 결과는 원리 증명(proof-of-principle) 단계로, 광자 생성 밝기와 얽힘 품질 향상이 현장 배치 가능한 제품으로 나아가기 위한 선결 과제다. 연구팀은 SPDC 외에 사파이어 파동혼합(four-wave mixing) 등 다른 비선형 광학 방법에도 같은 원리를 적용할 수 있을 것으로 보고 있다. 위성 탑재 레이저 없이 태양광만으로 양자 암호키를 생성하는 우주 응용이나, 에너지 부담 없이 양자컴퓨팅 규모를 확장하는 방향도 언급됐으나, 현재로서는 장기 목표에 해당한다.