태양광으로 얽힘 광자쌍 생성 성공 — 레이저 의존 탈피 가능성 제시

기존 가정에 대한 도전

광학 양자컴퓨터는 얽힘 광자쌍을 큐비트로 활용하며, 이를 생성하는 비선형 광학 공정에는 통상 레이저가 쓰인다. 레이저를 써야 한다는 믿음은 두 가지 전제에서 비롯됐다. 첫째, 광자 생성 공정에는 높은 광학적 결맞음(coherence)이 필요하다는 것이고, 둘째, 레이저만이 충분한 광 파워 밀도를 달성할 수 있다는 것이다. 태양광은 자연에 풍부하지만 결맞음이 낮고 집광이 어렵기 때문에 비선형 광학 공정의 직접 광원으로는 사실상 배제되어 왔다.

이번 연구는 이 두 가지 전제를 동시에 반박한다. 오타와대학교의 Robert Boyd 연구팀이 이론을, 독일 에를랑겐 소재 막스플랑크 빛과학연구소의 Hanieh Fattahi 연구팀이 장치 개발을 담당하는 협력 체계로 진행됐다. Boyd 연구팀은 앞서 LED 광원을 이용한 편광 얽힘 광자 생성을 시연한 바 있으며, 이번에 그 범위를 태양광까지 확장한 셈이다.

집광 시스템 구성과 실험 환경

태양광을 SPDC 공정에 투입하려면 넓게 퍼진 일사(日射)를 극도로 좁은 영역으로 집속해야 한다. Fattahi 팀은 프레넬 렌즈와 분광 필터로 빛을 수집하고, 유리 원뿔형 집광기를 통해 직경 약 2mm 크기의 초점을 형성한 뒤 이를 사람 머리카락 굵기 수준의 광섬유에 결합하는 방식을 택했다. 광섬유는 태양광을 비선형 결정으로 유도해 SPDC를 유발한다.

야외 실험인 만큼 현실적 난관도 컸다. 태양 추적을 지속적으로 수행해야 했고, 외부 환경 변화와 배경광이 실험을 방해했다. 초기에는 자연 어둠을 최대한 활용하기 위해 연구팀이 새벽 3시에 측정을 시작하는 방식으로 배경광 문제를 일부 해소했으며, 이후 시스템 전체를 텐트로 밀폐해 환경 변수를 통제했다.

양자 성능 검증 결과

실험 결과, 생성된 얽힘 상태는 벨 부등식을 위반했다. S=2가 양자 상관성의 임계값인데, 이번 측정에서 S값은 2.54로 나타나 고전적 상관으로는 설명 불가능한 양자적 거동을 확인했다. 목표 벨 상태 대비 충실도는 94%였다. 특히 펌프 빛의 스펙트럼 대역폭으로 정규화할 경우, 태양광 SPDC의 광자쌍 생성률이 레이저 방식과 견줄 수 있는 수준임을 보였다. 전기-광학 변환 과정 자체를 생략한다는 점에서 에너지 효율 측면의 의미가 크다.

응용 전망과 남은 과제

연구팀은 이 결과가 극지방 같은 혹독한 환경에서 운용되는 양자 시스템이나 우주 기반 양자 기술에 특히 유효할 수 있다고 본다. 태양 동기 궤도에서는 태양광에 상시 접근 가능하므로 자연 발생 광원을 안정적인 펌프 소스로 활용할 수 있다는 논리다.

다만 아직 실험실 수준의 시연에 그치며, 야외 전개 가능한 실용 시스템으로 가려면 기계적 안정성과 집광 효율 개선이 필요하다. Fattahi 팀은 더욱 통합된 설계의 필드 배치 버전 개발을 목표로 하고 있으며, 이번 실험에서 사용한 태양광 스펙트럼 영역을 넓혀 다중 채널 얽힘 광자 생성으로 확장하는 가능성도 탐색 중이다.