TU Wien, 분산 제어 도파관으로 광자 흡수율 이론상 100% 달성 제안

양자 통신의 병목: 광자 손실 문제

양자 암호, 양자 인터넷, 양자 컴퓨터 등 대부분의 양자 기술은 큐비트 간 정보 교환에 광자를 매개로 사용한다. 하나의 큐비트가 광자를 방출하면 다른 큐비트가 이를 흡수하는 방식인데, 현재의 기술적 한계로 인해 광자가 실제로 흡수되는 확률은 최대 54%에 그친다. 나머지 절반 가까이는 전달에 실패한다. TU Wien 이론물리학 연구팀은 이 문제의 원인이 광자의 파형 형태에 있다고 지목하며, 2026년 9월 14일 Physical Review Letters에 해결책을 제시하는 논문을 발표했다.

광자의 '톱니파형'과 흡수 불일치

광자는 입자가 아닌 파동이며, 큐비트에서 방출될 때 특유의 파형 구조를 갖는다. 방출 직후 진폭이 가장 크고 이후 지수적으로 감쇠하는 이른바 '톱니파형(sawtooth)'이 형성된다. 이 파형이 도파관을 통해 수신 큐비트에 도달하더라도, 수신 측 큐비트가 가장 효율적으로 흡수할 수 있는 파형은 이와 정반대다. 즉, 진폭이 서서히 증가하다가 끝에서 최대에 이르는 시간 반전(time-reversed) 파형이 수신 측에 최적화된 형태다. 이는 양자역학의 시간 반전 대칭성에서 도출되는 결론으로, 방출 과정을 시간 역방향으로 되돌리면 흡수에 완벽히 부합하는 파형이 무엇인지 정의된다.

분산 관계 설계로 파형 자동 반전

연구팀이 제안한 해법은 외부 능동 제어 없이도 파형을 반전시키는 수동적(passive) 방식이다. 진공에서는 빛의 속도가 일정하지만, 광학 도파관 내부에서는 주파수 성분에 따라 전파 속도가 달라질 수 있다. 이를 기술하는 것이 분산 관계(dispersion relation)다. 연구팀은 두 큐비트를 연결하는 도파관의 분산 관계를 적절히 설계하면, 방출된 톱니파형 광자가 도파관을 통과하는 동안 자연스럽게 시간 반전 파형으로 변환되어 수신 큐비트에 도달할 수 있음을 수치 시뮬레이션으로 확인했다. 이 경우 이론적 흡수 확률은 100%에 수렴한다.

의의와 한계

이번 연구는 이론 및 시뮬레이션 단계의 제안이며, 실험적 구현은 아직 이루어지지 않았다. 다만 연구팀은 필요한 도파관 설계가 기술적으로 실현 가능하다고 판단하고 있다. 수동 방식이기 때문에 별도의 피드백 제어 회로 없이도 적용 가능한 점은 실용화 관점에서 긍정적이다. 향후 초전도 회로, 이온 트랩 등 다양한 플랫폼에서 이 방식의 실험적 검증이 이루어진다면, 양자 네트워크 전반의 효율 향상에 직접적 기여가 기대된다.