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- 비선형 광학 결정을 사용하여 편광에 의해 얽힌 광자로 변환
- 얽힘 시스템은 집속된 태양광으로부터 밀리와트(mW)의 광 펌핑 전력으로 초당 약 1,600쌍의 편광 결합 광자를 생성
- 미래의 양자 컴퓨터와 센서가 현재보다 훨씬 더 에너지 효율적으로 작동 가능.할 것

햇빛으로 최초의 양자 얽힘 구현

레이저 없이도 가능해졌다. 물리학자들이 처음으로 일반 햇빛에서 얽힌 광자를 만들어냈다. 오랫동안 불가능하다고 여겨졌던 일이다. 새롭게 개발된 시스템은 불규칙하고 다채로운 햇빛을 걸러내고 초점을 맞춘 다음, 비선형 광학 결정을 사용하여 편광에 의해 얽힌 광자로 변환한다. 이 기술은 우주 공간을 포함한 모든 양자 응용 분야의 에너지 효율과 경제성을 향상시킬 수 있다. 

▲ 얽힌 광자는 일반 햇빛에서도 생성할 수 있다. 지금까지는 이를 위해 레이저가 필수적인 것으로 여겨졌다. · 사진: © Florian Sterl

양자 얽힘은 양자 컴퓨터, 고감도 센서, 암호화된 양자 통신 등 모든 양자 물리학 응용 분야의 기반이다. 입자들이 얽힘으로 연결되면 한 입자의 상태를 측정하면 다른 입자의 상태가 즉시, 심지어 먼 거리에서도 변화한다. 알베르트 아인슈타인은 이러한 현상을 "기묘한 원거리 작용"이라고 불렀다.

지금까지는 파동이 같은 방향으로 진동하는 결맞음 광원, 즉 레이저 광이 얽힌 광자를 생성하는 데 필수적인 것으로 여겨졌다. 오타와 대학교의 청 리(Cheng Li) 교수와 그의 동료들은 일반적인 절차에 대해 다음과 같이 설명한다. "펌프 레이저에서 나온 광자는 비선형 매질과 상호작용하여 얽힌 광자 쌍으로 변환된다." 하지만 이 방법은 에너지 소모가 크고 비효율적이다.

그렇다면 무질서한 햇빛으로도 얽힘이 발생할 수 있을까?

리 교수와 그의 연구팀이 이제 그 대안을 제시했다. "우리는 최초로 햇빛, 즉 어디에나 존재하고 환경 친화적인 광원이 비간섭성(coherent)을 띠더라도 얽힌 광자 쌍을 생성할 수 있음을 보여준다"고 연구진은 이렇게 보고했다. 이는 얽힘이 발생하기 위해서는 빛이 얽힘을 유발하는 데 필요한 속성, 예를 들어 광자의 편광에 대해서만 간섭성을 가지면 된다는 가정에 기반한다. 다른 속성들은 무질서해도 괜찮다.

하지만 리 교수와 그의 연구팀이 이제 그 대안을 제시했다. "따라서, 편광에만 기반한 얽힘은 펌프 빔의 진동 방향의 질서 정도에만 의존하고, 전파 방향이나 색상에는 의존하지 않아야 한다"고 리 교수는 설명했다. "그래서 우리는 햇빛의 색상과 방향의 비간섭성이 광자의 편광에 영향을 미치지 않도록 실험을 설계했다. 이를 통해 공간과 시간 모두에서 매우 비간섭적인 햇빛으로부터 고품질의 편광 얽힘을 생성할 수 있었다.“

변환 원리

햇빛 얽힘 실험은 두 가지 핵심 구성 요소로 이루어져 있다. 첫 번째는 햇빛을 집속, 필터링 및 집광하는 새로 개발된 태양광 집광기다. 커다란 유리 원뿔이 빛을 포착하여 프레넬 렌즈와 스펙트럼 필터를 통해 여러 개의 거울을 통과하도록 한다. 이렇게 집광된 빛은 사람 머리카락 굵기의 광섬유에 주입될 수 있을 정도로 강렬하다.

두 번째 주요 구성 요소는 이렇게 집속되고 강렬한 햇빛으로부터 얽힌 광자를 생성한다. 이를 위해 빛은 티타닐칼륨인산염(ppKTP)으로 만들어진 비선형 광학 결정에 짧은 간격으로 통과된다. 이 결정은 편광 간섭계 내에 위치하는데, 편광 간섭계는 빔 분할기, 필터 및 거울로 구성된 시스템으로, 햇빛의 광자를 편광에 의해 얽힌 광자 쌍으로 변환한다.

레이저 기반 시스템과 유사한 품질

초기 현장 테스트를 위해 Li와 그의 동료들은 연구소 부지에 이 시스템을 설치했다. 그 결과, 이 얽힘 시스템은 집속된 태양광으로부터 밀리와트(mW)의 광 펌핑 전력으로 초당 약 1,600쌍의 편광 결합 광자를 생성하는 것으로 나타났다. 연구팀은 "이 생성 속도는 레이저 펌핑 광자 생성 속도와 유사하다"고 보고했다.

더욱 중요한 것은 태양광에서 생성된 광자가 얽힘 조건을 충족한다는 점이다. 리와 그의 동료들은 "일치도, 순도, 신뢰성 값은 광자 상태가 매우 높은 수준으로 얽혀 있음을 나타낸다"고 밝혔다. 측정 결과에 따르면, 생성된 광자 쌍은 최대 달성 가능한 완벽한 얽힘의 약 94%에 도달했는데, 이는 레이저로 생성된 얽힌 광자와 유사한 결과다.

더욱 효율적인 양자 기술을 향한 길

최초로, 레이저나 기타 고전력 시스템을 사용하지 않고 햇빛에서 직접 얽힌 광자를 추출하는 데 성공했다. 이는 더욱 에너지 효율적이고 환경 친화적인 양자 기술의 발전을 위한 길을 열어줄 수 있다. "햇빛은 특히 우주를 비롯한 다양한 환경에서 풍부하고 안정적인 자원이다"고 막스 플랑크 광과학 연구소의 공동 저자 하니에 파타히는 설명했다.

예를 들어, 이 기술은 미래의 양자 컴퓨터와 센서가 현재보다 훨씬 더 에너지 효율적으로 작동할 수 있도록 해줄 것이다. "우리의 기술은 언젠가 위성이 우주의 풍부한 햇빛만을 사용하여 안전한 양자 키를 생성할 수 있도록 해줄 것이다"고 리는 말했다. "이렇게 되면 위성에 탑재된 레이저가 필요 없어지고, 다른 많은 하드웨어도 제거할 수 있게 될 것이다." 또 다른 장점은 햇빛의 넓은 스펙트럼 덕분에 현재 레이저로는 얻을 수 없거나 매우 비싼 가격으로만 구할 수 있는 파장에서도 얽힌 광자를 생성할 수 있다는 것이다.

출처: Cheng Li (University of Ottawa, Kanada) et al., Optica, 2026; doi: 10.1364/OPTICA.601797

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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