NIST, 공중 가설 광섬유 62km로 얽힌 광자 분배 실증

실험 배경: 기존 인프라 위에서의 양자 네트워크

새로운 광섬유망을 양자 전용으로 구축하는 방식은 비용 면에서 현실적이지 않다. 이 문제의식에서 출발한 NIST·공동양자연구소(Joint Quantum Institute, NIST와 메릴랜드대 공동 운영)·Qunnect 연구팀은 2025년 초, 도심 인터넷 인프라로 이미 사용되고 있는 광섬유를 그대로 이용해 양자 얽힘 분배가 가능한지를 검증했다. NIST 실험실에서 메릴랜드대 칼리지파크 캠퍼스까지 이어지는 62킬로미터 구간이 실험 무대였다.

공중 광섬유의 물리적 교란 문제

이번 실험의 핵심 난제는 대부분의 광섬유가 전봇대에 매달린 공중 가설 케이블이라는 점이다. 이러한 케이블은 기온 변화에 따라 팽창·수축하고, 바람에 흔들리며, 새가 앉는 등 일상적 물리 교란에 상시 노출된다. 고전적 통신은 빛의 세기를 변조해 정보를 전달하므로 이 같은 기계적 요인에 취약하지 않다. 그러나 양자 네트워크에서 얽힘은 통상 광자의 편광(전기장 진동 방향)에 부호화되며, 광섬유가 뒤틀리면 편광 상태가 왜곡돼 얽힘이 손상된다.

실시간 편광 안정화 기술

연구팀은 상용 장치로 얽힌 광자 쌍을 생성한 뒤, 각 쌍에서 한 광자는 NIST 내 분석기로, 나머지 한 광자는 62킬로미터 광섬유를 통해 외부 실험실로 보냈다. 편광 보정을 위해 Qunnect이 개발한 안정화 장치 두 대를 투입했다. 이 장치들은 기준용 광선을 광섬유에 통과시켜 편광이 얼마나 변형됐는지 실시간으로 측정하고, 그 역변환을 실험 광자에 즉각 적용하는 방식으로 얽힘 상태를 유지한다.

성과와 한계

24시간 운용 기간 중 92.8%의 시간 동안 얽힌 광자 분배에 성공했으며, 편광 보정에 소요된 시간은 7.2%에 그쳤다. 초당 1,500쌍의 얽힌 광자가 전송됐고, 통계적 검증으로 광섬유 양단에서 검출된 광자들이 얽힘 상태를 유지했음이 확인됐다. 다만 이 실험이 거리 기록을 경신한 것은 아니다. 2022년 유럽 연구팀은 지하 매설 광섬유 248킬로미터에서 얽힌 광자 분배에 성공한 바 있다. 이번 연구의 차별성은 거리보다 환경에 있다. 실제 도시 인프라의 공중 가설 케이블이라는 극한의 노이즈 조건에서도 양자 네트워크 프로토콜이 작동한다는 점을 입증했다. 실용화를 위해서는 현재의 초당 전송 광자 수가 상당히 개선되어야 한다는 과제가 남아 있다.

잠재적 응용 분야

연구팀은 양자 네트워크 기술이 성숙했을 때 천문학, 지진학, 신약 개발 등 다양한 분야에서의 활용 가능성을 거론한다. 수천 킬로미터 간격의 망원경들이 얽힌 광자를 공유해 단일 기기보다 훨씬 높은 해상도로 천체를 관측하거나, 광역 얽힘 센서망으로 지진·화산 활동을 조기에 탐지하거나, 연결된 양자 컴퓨터들이 단독으로는 처리하기 어려운 복잡한 시뮬레이션을 수행하는 시나리오 등이 언급된다. 도청 시도 즉각 감지가 가능한 초고보안 통신도 잠재적 응용으로 제시된다.