태양광 집광으로 양자 얽힘 광자쌍 최초 생성…충실도 94% 달성

레이저 우위 가정의 균열

양자 얽힘 광자쌍은 자발적 매개변수 하향변환(SPDC)이라는 비선형 광학 공정으로 생성된다. 이 공정에서 펌프 광자는 비선형 결정 내부에서 얽힘 광자쌍으로 변환된다. 지금까지 레이저만이 SPDC를 구동하기에 충분한 결맞음과 광 출력 밀도를 제공할 수 있다는 전제가 광학 공동체 안에 광범위하게 받아들여져 왔으며, 태양광은 비결맞음·저출력이라는 이유로 실용 불가 판정을 받아왔다.

연구팀이 제시한 반론의 핵심은 빛의 '결맞음'이 단일 물리량이 아니라 편광·공간·시간 등 자유도별로 독립적으로 정의된다는 점이다. SPDC에서 펌프 빔의 특정 자유도 비결맞음은 그와 동일한 자유도의 얽힘에만 영향을 미친다. 따라서 펌프 빔이 완전한 편광 상태를 유지하는 한, 공간·시간적 비결맞음이 존재하더라도 편광 얽힘 생성을 원칙적으로 방해하지 않는다는 이론적 예측이 성립한다.

집광 시스템 구성

비선형 결정의 유효 개구는 통상 수 밀리미터에 불과하다. 자연 환경에서 넓게 퍼진 태양광을 이 좁은 영역에 모으는 것이 핵심 기술 과제였다. MPL의 Hanieh Fattahi 연구팀은 태양 추적 모터에 장착된 대형 프레넬 렌즈로 1.4 m² 면적의 태양광을 수집한 뒤, 자체 제작한 원뿔형 유리 집광기를 통해 인간 모발 두께의 멀티모드 광섬유로 전달하는 시스템을 구축했다. 원뿔 내부에서 일어나는 전반사가 추가 집광 역할을 한다. 이 광섬유가 태양광을 비선형 결정까지 안내해 SPDC를 유도한다.

실험 결과: 충실도와 효율

실험에서 태양광 구동 SPDC는 편광 얽힘 광자쌍을 약 94%의 충실도로 생성했으며, 이는 레이저 기반 시스템과 비교해도 경쟁력 있는 수준이다. 생성된 광자쌍은 벨 부등식을 위반하는 상관관계를 보였는데, 이는 고전 물리학으로 기술할 수 없는 진정한 양자 얽힘의 존재를 뜻한다. 아울러 펌프 출력과 비선형 공정의 유효 대역폭으로 정규화한 광자쌍 생성 효율도 레이저 구동 방식과 동등한 것으로 나타났다. 이는 레이저가 태양광 대비 근본적 우위를 가진다는 가정이 더 이상 성립하지 않음을 시사한다.

우주·극지 환경 응용과 향후 과제

태양광 기반 양자광원은 전기-광 변환 단계를 생략할 수 있어 폐열 감소, 시스템 단순화, 능동 안정화 장치 제거로 이어진다. 고장 지점이 줄어드는 특성은 위성, 성간 탐사선, 북극 같은 자원 제약 환경에 특히 적합하다. 태양 동기 궤도 위성의 경우 펌프 광원인 태양광에 사실상 끊김 없이 접근할 수 있다는 이점도 있다. 태양광의 광대역 스펙트럼은 레이저로는 접근하기 어려운 파장대의 얽힘 광자 생성 가능성도 열어준다.

다만 이번 연구는 개념 증명 단계로, 집광 효율과 대역폭 활용 최적화가 실용화의 관건이다. 연구팀은 SPDC 외에 사광파 혼합(four-wave mixing) 등 다른 비선형 공정으로의 확장도 가능하다고 보고 있으며, 이번 성과가 비선형·양자 광학 전반의 후속 연구를 견인할 것으로 기대한다. 연구 결과는 학술지 Optica에 게재됐다.