NIST, 메릴랜드 지상 광섬유 62km로 양자 얽힘 분배 실증

실험 배경: 실험실 밖으로 나온 얽힘

양자 네트워크 구현의 핵심 장벽 중 하나는 얽힘 상태를 실제 통신 인프라에서 유지하는 것이다. 새로운 전용 광섬유망을 깔면 비용이 천문학적으로 늘어나기 때문에, 기존 인터넷 인프라를 재활용할 수 있는지 검증하는 작업이 필수적이다. NIST, 조인트 양자 연구소(Joint Quantum Institute, NIST·메릴랜드대 공동 운영), 뉴욕 소재 Qunnect 3개 기관이 이 문제에 공동으로 접근했다.

지상 노출 광섬유가 왜 도전적인가

실험에 사용된 광섬유 대부분은 전봇대 위에 매달린 가공 케이블이다. 낮과 밤의 온도 차에 따라 팽창·수축하고, 바람에 흔들리며 새들이 앉기도 한다. 이런 물리적 교란은 광자의 편광 방향을 회전·왜곡시켜 얽힘 상태를 파괴할 수 있다. 전화·영상 스트리밍 같은 고전 통신은 빛의 세기로 정보를 실어 나르기 때문에 이런 기계적 진동에 둔감하지만, 양자 통신은 편광이라는 훨씬 취약한 물리량에 의존한다.

실시간 편광 보정: Qunnect 기술의 역할

연구진은 상용 장치로 얽힘 광자쌍을 생성한 뒤, 한 쌍 중 한 광자는 NIST 실험실 내 분석기로, 나머지 한 광자는 62km 광섬유를 통해 메릴랜드 대학 칼리지파크 캠퍼스의 제2 실험실로 전송했다. 전송 과정에서 편광 왜곡을 막기 위해 Qunnect가 개발한 실시간 편광 안정화 장치 한 쌍을 투입했다. 이 장치는 기준 빛(reference light)을 광섬유에 흘려보내 수신 단에서 편광 변화를 측정한 뒤, 정확히 그 역변환을 실험 광자에 적용해 얽힘을 보존하는 방식으로 작동한다.

성과와 한계

24시간 연속 운용 결과, 전체 시간의 92.8%에서 얽힘 광자 분배가 정상 작동했으며 편광 보정에 쓰인 시간은 7.2%에 그쳤다. 초당 약 1,500쌍의 얽힘 광자가 전송됐고, 통계적 검증을 통해 양 끝에서 검출된 광자들이 실제로 얽힘 상태를 유지했음을 확인했다. 단, 전송 거리 자체는 기록이 아니다. 2022년 유럽 연구진은 지하 광섬유 248km로 얽힘 분배에 성공한 바 있다. 이번 실험의 차별성은 거리가 아니라 지상 노출이라는 환경적 조건에 있다. 실용적 양자 네트워크로 나아가려면 초당 전송 광자쌍 수도 지금보다 크게 늘어야 한다는 점도 연구진이 인정하는 과제다.

의미: 현실 환경에서의 스트레스 테스트

이번 연구의 의의는 통제된 실험실 조건이 아닌 실제 도시 인프라 수준의 가공 광섬유에서 얽힘 분배가 작동함을 보였다는 점이다. 기상 변화·진동·온도 변동이 복합적으로 작용하는 환경을 견딜 수 있다는 확인은, 앞으로 양자 네트워크 프로토콜을 현실 배치 환경에서 설계하는 데 중요한 근거 데이터로 활용될 수 있다.