태양광으로 상관 광자쌍 생성 — 레이저 없는 양자광학 광원 실현

태양광을 양자광학 광원으로 쓴다는 아이디어

SPDC는 단파장 펌프 광자가 비선형 결정을 통과하면서 파장이 더 긴 두 광자쌍으로 전환되는 과정이다. 지금까지 이 과정에는 결맞음(coherent) 레이저가 필수로 여겨졌다. 그러나 최근 연구들은 부분적으로 결맞은 광원도 SPDC를 구동할 수 있다는 가능성을 제시했고, 샤먼대 Wuhong Zhang·Lixiang Chen 연구팀은 이를 근본적으로 비결맞은 태양광으로까지 확장했다.

태양 추적 시스템과 다중 모드 광섬유 결합

태양광 활용의 가장 큰 걸림돌은 광원의 공간적 결맞음이 낮고 밝기와 입사각이 끊임없이 변한다는 점이다. 충분한 펌프 광자를 안정적으로 확보하기 어렵다는 의미다. 연구팀은 이를 극복하기 위해 실험실 옥상에 태양 추적 망원경 마운트를 설치해 하루 종일 연속적으로 태양광을 수집했다. 수집된 빛은 다중 모드 광섬유에 고효율로 결합된 뒤 실내로 전송됐으며, 주기적 분극 반전 구조의 인산티타닐칼륨(PPKTP) 비선형 결정에 입사됐다. 그 결과 강한 위치 상관성을 가진 광자쌍이 생성됐고, 이를 이용해 고스트 이미징 기법도 시연했다.

태양광의 광대역 스펙트럼이 가져오는 이점

일반적으로 레이저에 비해 태양광의 비결맞음은 약점으로 인식되지만, 연구팀은 광대역 스펙트럼이라는 특성이 오히려 다양한 파장 선택을 가능하게 한다는 점에 주목했다. 이는 특정 파장에 최적화된 응용 시나리오에 유연하게 대응할 수 있음을 의미한다. 다만 태양광의 공간 결맞음 부족과 시간적 불안정성을 억제하는 과정이 쉽지 않았으며, 광섬유 결합 효율도 매우 높은 수준을 유지해야 했다는 점에서 공학적 난제가 수반됐다.

잠재적 응용과 기술적 한계

이번 성과는 전기 공급이 제한되거나 불가능한 환경, 예컨대 오지에서의 상관 강화 센싱이나 우주 기반 양자 키 분배·텔레포테이션 구현에 실질적인 의미를 가진다. 연구팀의 다음 단계는 야외 환경에서의 시스템 검증과 더불어 광수집 효율 향상, PPKTP 결정의 태양 광대역 스펙트럼 최적화, 압축 센싱 기반 이미지 재구성 기법 도입 등이다. 인공신경망과 딥러닝을 활용한 AI 기술 통합도 중요한 연구 방향으로 제시됐다. 현 단계에서 생성 속도와 광자쌍 품질이 레이저 기반 시스템에 미치지 못한다는 점은 추가 개선이 필요한 과제로 남아 있다.

의의

본 연구는 Advanced Photonics에 게재됐다. 레이저와 상업 전력 없이도 SPDC 광원을 구현할 수 있다는 개념 증명(proof-of-concept)으로서, 양자정보·양자센싱 기술의 배치 환경을 실험실 밖으로 확장하는 데 이정표가 될 수 있다.