Quantum Source·이스라엘 국방연구소, 1km 비안정 광섬유 통과 얽힘 유지 실증

결정론적 광자 소스와 기존 확률론적 방식의 차이

양자통신 분야에서 얽힘 광자쌍 생성에 가장 널리 쓰이는 방식은 자발 매개 하향 변환(SPDC)이다. 이 방식은 광자쌍 생성이 확률적으로 이루어지기 때문에, 생성 확률을 높이면 원치 않는 다중 쌍 발생 사건도 함께 늘어나 충실도를 떨어뜨리는 근본적인 트레이드오프가 존재한다.

Quantum Source의 플랫폼은 이를 구조적으로 회피한다. 미소 광학 공동(microscopic optical cavity)에 강하게 결합된 단일 루비듐 원자가 외부 트리거 신호를 받으면, 수십 나노초 이내에 광자 두 개를 순차적으로 방출한다. 각 방출이 온디맨드 방식으로 시작되기 때문에 생성 이벤트마다 고충실도 얽힘 광자쌍이 보장된다.

싱글릿 벨 상태의 물리적 특성이 핵심

이번 실증에서 기술적으로 주목할 점은 생성된 광자쌍이 네 가지 최대 얽힘 벨 상태 중 싱글릿 상태에 있다는 것이다. 싱글릿 상태는 두 광자가 동일한 편광 회전을 경험할 때 얽힘 상관관계가 변하지 않는 유일한 벨 상태다. 나머지 세 트리플릿 상태와 달리, 측정 기저에 관계없이 상관관계가 보존된다.

광섬유 내부에서는 온도 변화, 기계적 응력, 굽힘, 환경 교란 등으로 인해 편광이 지속적으로 임의 회전한다. 싱글릿 상태의 대칭성은 이러한 무작위 편광 회전에 대해 내재적 면역성을 제공한다. 이것이 능동 보상 없이도 얽힘이 유지된 물리적 근거다.

1km 비안정 광섬유 실증 결과

연구팀은 별도의 편광 안정화 장치, 분산 보정, 능동 피드백 없이 1킬로미터 이상의 표준 광섬유를 통해 광자쌍을 전송했다. 광자의 전파 시간은 5마이크로초를 초과한다. 전송 후 측정된 얽힘 충실도는 소스에서 직접 측정한 값과 비교할 때 측정 가능한 저하가 관찰되지 않았다.

이 결과는 기존 광섬유 인프라에서 양자통신 링크를 구축할 때 수반되는 지속적인 채널 보정 작업을 생략할 수 있음을 시사한다. 도심 규모 양자망, 양자 키 분배(QKD) 인프라, 양자 중계기 시스템 구축 시 운영 복잡도와 유지 비용을 낮출 수 있다는 의미다.

기술적 의미와 한계

결정론적 광자 소스는 광자닉 양자컴퓨팅에서도 잠재적 역할이 있다. 수백만 개의 얽힘 광자를 정밀한 타이밍과 동기화로 생성해야 하는 확장형 아키텍처에서 SPDC 기반 소스의 한계를 대체할 수 있다는 전망이다.

다만 현재 실증은 1킬로미터 거리에서의 결과로, 장거리 양자망에서 요구되는 수십~수백 킬로미터 구간에서의 성능은 별도로 검증이 필요하다. 단일 원자와 광학 공동 결합 시스템의 소형화·집적화 경로, 그리고 다중 노드 연결 시 동기화 방법도 추가적인 기술 과제로 남는다. 이번 연구는 이스라엘 학계·산업계·국방 연구기관 간 협력의 결과물로, 이스라엘 양자 생태계의 성숙도를 보여주는 사례로 평가된다.