LSU, 고전광으로 다광자 양자 저수지 첫 구현 — 상온·내잡음 동작 확인

연구 배경: 양자 시스템의 취약성 우회

기존 양자 정보처리는 외부 환경의 미세한 교란에도 손상되기 쉬운 양자 상태를 정밀하게 격리·제어해야 한다는 근본적 제약을 안고 있다. 잡음과 광자 손실은 양자 시스템의 핵심 거동을 무너뜨리며, 실용적인 규모의 다중 입자계를 구축하는 일 자체가 극히 어렵다. LSU 양자 포토닉스 연구실은 이 문제를 정면 돌파하는 대신 우회하는 전략을 택했다. 생성이 쉽고 광자가 풍부한 고전광을 출발점으로 삼아, 양자 상태를 직접 준비하지 않고도 그 속에 잠재된 다광자 양자 거동을 측정을 통해 사후 추출하는 방식이다.

핵심 기술: 세 가지 자유도의 통합

연구팀이 활용한 핵심 도구는 광자수 분해 검출기(photon-number-resolving detector)다. 이 검출기는 동시에 도달하는 광자의 수를 개별적으로 구별한다. 고전광이 광학 네트워크를 통과하며 발생하는 측정마다의 광자 수 요동을 단순한 잡음으로 처리하지 않고, 특정 광자 수 사건만을 선별해 서로 다른 다광자 양자계에 접근하는 자원으로 전환했다. 여기에 빛의 편광(polarization), 공간 구조(spatial structure), 광자 수라는 세 가지 자유도를 하나의 시스템에 통합해 861개 측정 성분으로 구성된 다차원 정보 공간, 즉 다광자 양자 저수지를 형성했다.

저수지 컴퓨팅(reservoir computing)은 복잡한 물리계의 자연적 다이나믹스를 계산 자원으로 활용하는 기법이다. 입력 정보가 상호 연결된 네트워크를 거쳐 풍부한 패턴으로 변환되면, 연구자는 그 출력을 해석하는 판독 레이어만 훈련하면 된다. 이번 연구에서는 빛 자체가 복잡한 변환을 수행하고, 광자 수 측정이 그 결과를 읽어낸다.

검증 실험: 시뮬레이션과 함수 학습

연구팀은 플랫폼을 두 방향으로 검증했다. 먼저 양자 시뮬레이터로서의 역할이다. 광학 네트워크에 잡음이 존재하는 조건에서도 광자 수 측정을 통해 양자 무작위 보행(quantum random walk) 특유의 확산 특성을 재현했다. 또한 빛의 여러 상태로 구성된 합성 격자를 이용해 다입자계에서 관찰되는 열화(thermalization)와 반열화(anti-thermalization) 과정을 모사하는 데도 성공했다.

이어 학습 능력 검증이다. 광학 네트워크 구성을 하나의 무작위 배열로 고정한 채, 입력을 편광으로 부호화해 저수지에 통과시키면 공간 모드와 광자 수 전반에 걸친 복잡한 패턴이 생성된다. 이 출력의 판독 부분만 훈련하는 방식으로, 성격이 서로 다른 수학 함수 여섯 가지를 학습하는 데 성공했다. 비선형성이 높은 함수일수록 완전한 광자 수 분포를 활용할 때 예측 정확도가 향상됐으며, 이는 고차 다광자 상관관계가 실질적인 계산 자원임을 보여준다.

의의와 과제

이번 연구의 핵심 의의는 극저온 격리 환경 없이 상온에서, 잡음과 손실이 상당한 조건에서도 유효하게 동작하는 다광자 양자 플랫폼을 실증했다는 점이다. 고전 광학의 접근성과 양자 측정의 고유 특성을 결합한 하이브리드 접근으로, 현실적인 실험 환경에서의 양자 기술 활용 경로를 넓혔다. 다만 더 큰 다광자계로 확장하려면 더 빠르고 고성능인 광자수 분해 검출기 개발이 선행 과제로 남는다. 이번 연구에는 LSU 외에 멕시코 국립자치대학교(UNAM)와 파추카 공과대학교 연구자들이 공동 참여했다.