피렌체대 연구팀, 100nm 부유 나노구슬과 빛의 양자 얽힘 상온에서 달성

기계-광 얽힘 연구의 배경

양자 얽힘은 두 입자의 상태가 불가분하게 연결돼 하나만으로는 완전히 기술할 수 없는 현상이다. 빛(광자)과 거시적 기계 진동자 사이에서 이 현상을 실현하려는 시도는 수십 년간 이어져 왔다. 그러나 얽힘은 환경 교란에 극도로 취약하고, 물체가 클수록 열적 잡음에 더 쉽게 노출된다. 기존 실험들이 절대영도에 가까운 극저온을 유지해야 했던 이유가 여기에 있다. 반면 레이저로 공중에 띄운 나노 구슬은 기판이나 지지대와 물리적 접촉이 없어 열적·기계적 교란이 대폭 차단된다는 점에서 유망한 대안으로 주목받아 왔다.

실험 설계: 광학 트위저와 이중 레이저 전략

연구팀은 지름 100nm의 유리구슬을 강하게 집속된 레이저 빔인 광학 트위저로 포획하고, 준진공 챔버 내부에서 두 개의 마주 보는 거울 사이에 위치시켰다. 문제는 얽힘을 만드는 데 쓰는 레이저 자체가 구슬에 원치 않는 진동을 유발해 결국 트랩 밖으로 밀어낸다는 점이었다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 파장이 서로 약간 다른 두 레이저를 조합했다. 하나는 구슬의 왕복 운동을 냉각하고 안정화하는 역할을 맡고, 나머지 하나가 그 운동을 빛과 얽히게 하는 역할을 담당했다. 구슬이 진동하는 동안 그 운동 정보가 거울을 빠져나오는 빛에 각인되는 방식으로 상관관계가 형성됐다.

상온에서 얽힘 임계값 초과 확인

연구팀은 수 시간에 걸쳐 측정한 빛 데이터를 분석해 구슬 운동과 빛 사이의 상관관계 전체 패턴을 재구성했다. 주변 실험실이 상온을 유지하는 상황에서도 측정된 상관관계가 얽힘을 입증하는 수학적 임계값을 넘어섰으며, 거울 바깥으로 전파되는 빛에서도 얽힘이 지속됨을 확인했다. 이는 극저온 장치 없이 광-기계 얽힘을 생성하고 측정할 수 있음을 보여준 것으로, 기존 연구들과 구별되는 핵심 결과다.

향후 과제와 응용 가능성

연구팀은 실험 기법을 더욱 정밀화해 얽힘의 강도를 높이고, 단순히 관측하는 데 그치지 않고 얽힘을 능동적으로 제어하는 단계로 나아가겠다는 계획이다. 나아가 여러 부유 나노구슬을 공유 광장(光場)을 통해 서로 연결하는 다중 노드 구조도 구상 중이다. 이는 양자역학이 더 큰 규모에서 어떻게 작동하는지, 그리고 중력과 어떻게 상호작용하는지를 실험적으로 검증하는 수단이 될 수 있다. 장기적으로는 저장 노드(나노구슬)와 전송 매체(빛)를 연결하는 장거리 양자 네트워크 기반으로도 활용 가능성이 열려 있다. 다만 현재 달성된 얽힘 강도, 지속 시간, 위상 안정성 등이 실용적 네트워크 수준에 도달하려면 추가적인 기술 개선이 필요하다.