국내 연구진이 국제 공동연구를 통해 양자상태의 빛을 증폭시켜 손실 없이 공간이동시키는 데 성공했다. 양자상태의 빛에 정보를 실어 보낼 경우 속도가 빠른데다 정보의 손실이 없어 양자통신과 양자암호, 양자컴퓨터 등 구현에 기여할 것으로 기대된다. 서울대 물리천문학부 정현석 교수 연구팀이 초기 아이디어를 제안하고, 마사히데 사사키 박사가 이끄는 일본국립정보통신기술 연구소(NICT)와 함께 국제공동연구에 성공한 이번 연구결과는 네이처 포토닉스(Nature Photonics) 5월 12일자 온라인판에 게재되었다. 한편 서울대학교의 이번 연구는 한국연구재단(이사장 이승종)과 미래창조과학부(장관 최문기)가 추진하는 리더연구자지원사업(창의연구과제)의 지원으로 수행되었다.
양자상태의 빛은 0과 1 두가지 상태만을 이용하는 기존 방식과 달리 여러 양자상태의 중첩을 이용해 고용량의 정보를 담을 수 있다. 때문에 수십억 년이 걸려도 풀 수 없는 문제를 20분 만에 풀 수 있는 양자컴퓨터나 해킹이 불가능한 안전한 통신에 응용될 수 있다. 양자상태의 공간이동은 100km 이상까지 보고된 바 있지만 전송 후 원래의 양자상태가 손상되어 신뢰도가 낮았다. 전송 중에 주변 물질과의 상호작용으로 양자특성이 파괴되거나 신호의 강도가 약해지는 것이 문제였다. 특히 양자 빛의 세기가 강할수록 손실이 더 크기 때문에 신호가 강한 양자상태는 보내는 것이 불가능해 실용화의 한계로 지적되었다.
연구팀은 양자상태 빛의 손실을 막는데서 나아가 이를 증폭시키면서 이동시키는 방법을 고안하여 실험적으로 구현했다. 양자 공간이동은 서로 떨어진 공간에 있지만 서로 얽혀있는 두 양자상태를 이용해 한쪽의 양자상태를 파괴시키는 한편 공간적으로 떨어진 다른 쪽에 양자상태를 재구성하는 방식을 이용한다. 연구팀은 얽혀 있는 두 양자 상태의 빛을 한 쪽은 세기가 강하고 다른 한 쪽은 약하게 조작한 후에 빛의 세기가 강한 부분을 신호증폭에 사용하고, 약한 부분을 장거리 전송채널로 사용하는 새로운 방법으로 신호증폭과 공간이동을 동시에 구현해낼 수 있었다. 실제로 중첩상태의 양자 빛을 적절한 비율로 나누어 주는 빛살 가르개를 이용하여 비대칭적으로 얽혀 있는 양자상태들의 빛을 만들어내고, 송신자가 보낸 약한 신호의 양자 빛이 수신자 측에서 크기만 증폭된 형태로 재생되는 것을 최종 확인했다.
정 교수는 "별개의 방법으로 여겨졌던 양자 신호증폭과 양자 공간이동이 동시에 가능하게 됨에 따라 안정적인 장거리 양자 통신과 빛을 이용한 양자컴퓨터 구현이 앞당겨질 것"이라고 밝혔다.
