RIKEN, 소음·결함에 강인한 단방향 포논 양자동기화 이론 제시

비상반 소자와 양자동기화의 결합 과제

전자·광학 시스템에서 신호를 한 방향으로만 통과시키는 비상반(nonreciprocal) 소자는 신호 처리, 반사 억제 등에 광범위하게 활용된다. 마이크로파·광 기반 시스템에서는 이미 핵심 부품으로 자리 잡았으나, 두 양자계가 한 방향으로는 동기화되고 역방향으로는 그렇지 않는 '비상반 양자동기화'를 실험적으로 구현하는 것은 여전히 난제로 남아 있었다. 기존에 제안된 방식들은 실용성 측면에서 여러 한계를 안고 있었다.

포논 기반 신규 방법론

RIKEN 양자컴퓨팅센터(RQC)의 Franco Nori, Adam Miranowicz, Deng-Gao Lai 세 연구자는 포논, 즉 음향 양자의 비상반 동기화를 실현하는 이론적 방법을 개발했다. 이 접근법은 서로 다른 두 가지 양자 효과를 시너지 방식으로 결합한 것으로, 빛 또는 자기장을 특정 방향에서 인가할 때는 포논이 동기화되고, 반대 방향에서는 동기화가 일어나지 않는 구조를 갖는다. 연구 결과는 《Nature Communications》에 게재됐다(DOI: 10.1038/s41467-025-63408-z).

강인성: 예상을 벗어난 발견

연구팀이 특히 주목한 점은 이 방식의 예상 밖 견고함이다. 양자 자원은 통상적으로 환경 소음이나 소자 제조 과정에서 발생하는 불균일성에 매우 취약하며, 이를 보호하기 위해 복잡한 오류 방지 체계가 필요한 것으로 알려져 있었다. 그러나 새 방법에서는 상당한 수준의 결함과 소음이 존재하는 조건에서도 양자동기화가 유지되는 것이 이론 분석을 통해 확인됐다. 연구팀은 이를 별도의 복잡한 보호 장치 없이 달성했다는 점을 강조한다.

기술적 의의와 한계

이번 연구는 '취약한' 양자 자원을 '강인한' 양자 자원으로 전환하는 새로운 기반을 제시했다는 점에서 의미가 있다. 연구팀은 향후 양자 네트워킹 및 오류 내성 양자정보처리 분야에 적용 가능성을 탐색할 계획이다. 다만 현재까지는 순수 이론 연구 단계로, 실제 양자 하드웨어에서의 실험적 검증이 뒤따라야 실용성을 논할 수 있다. 포논 기반 양자계를 실제 소자와 연동하는 공학적 구현 과제도 남아 있다.