부산대 문한섭 교수
[대전=일요신문]육심무 기자 = 부산대 문한섭 교수가 순수 국내 기술로 원자 매질을 이용한 고효율 양자광원을 개발하고 독립적으로 동작하는 두 양자광원 사이에 고효율 양자간섭을 확인했다.
높은 광자 생성율을 가진 우수한 양자광원의 개발과 이를 이용한 양자간섭 측정의 성공은 장거리 양자통신 구현을 위한 핵심적인 기술 구현에 있어서 중요한 진보라고 평가된다. 문 교수에게 이번 연구의 의미 등에 대해 들어봤다.
- 이번 연구를 시작한 계기나 배경이 있다면?
“따스함도 밝음도 주는 빛이 무엇일까?“에 대한 질문과 빛의 신비함은 고대에서부터 종교 형태로, 철학으로, 그리고 과학으로 변화하면서 가졌던 자연을 이해하려는 근본적인 질문 중에 하나이다.
나에게 있어서도 이 질문은 지금까지 내가 물리학을 연구하는 중요한 이유이다.
영의 이중 슬릿을 통한 빛의 간섭 현상은 빛이 파동이라는 명백한 증거가 되었고, 맥스웰은 전기장과 자기장의 진동으로 이루어진 전자기파라는 사실을 밝히면서 빛의 근본이 밝혀진 것이라고 믿었다.
그러나 흑체복사 스펙트럼, 광전 효과, 그리고 콤프턴 산란과 같이 빛이 입자의 성질을 갖는 현상이 나타나면서 빛은 파동과 입자의 성질을 모두 갖는 미묘한 대상이 되었다.
양자광학 연구는 광자라는 빛의 입자적 성질을 측정하는 광자 측정 장치를 사용하면서 간섭이라는 파동이 가지는 대표적인 현상을 광자들 사이에서 관측함으로써 고전적인 물리학 지식으로는 설명할 수 없는 양자역학적인 현상을 실험을 구현하게 된다.
이번 연구는 양자광원을 이용하여 서로 무관한 독립적인 광자들 사이에 양자간섭 효과를 측정함으로써 광자를 이용하여 양자상태를 전송할 수 있는 양자역학적 현상을 실험으로 구현한 것이다.
관측이 쉽지 않은 양자역학적 현상을 실제로 구현할 수 있고, 빛에 대한 근본을 찾아간다는 점에서 물리학자로써 흥미로운 연구였다.
더구나 이러한 양자상태 전송은 최근에 많은 관심을 가지는 양자통신 및 양자네트워크를 구현하는데 원천 기술을 제공한다는 점에서 더욱 흥미롭게 생각되어 연구를 진행하고 있다.
- 이번 연구를 진행하기 전에 원자와 빛의 상호작용에 대한 다양한 연구를 수행한 것으로 알고있다.
이전에 시행한 원자와 레이저와의 상호작용에 대한 연구는 원자와 빛이라는 물리학에서 기초과학에 대한 깊은 이해를 할 수 있었다.
그러나 원자는 양자역학적으로 다루어지는 대상이고, 레이저는 고전적인 물리학으로 다루어지기 때문에 원자와 레이저와의 상호작용에 대한 결과로 부터 빛이 가지고 있는 양자역학적인 특성을 확인하기 어려웠다.
원자와 광자의 상호작용에 대한 연구를 수행하면서, 원자 매질에서 양자광원을 생성하는 연구가 성공적으로 수행되었다.
독자적으로 개발된 이러한 양자광원을 이용하여 양자간섭 효과에 대한 연구가 본격적으로 진행되었다.
최근에 독립적으로 동작하는 고품질의 두 양자광원들 사이에서 양자간섭 실험을 성공적으로 수행함으로써 양자상태 전송을 위한 원천 기술 구현이 가능해졌다.
연구를 통해서 얻어진 결과는 양자리피트 구현에 핵심적인 기술이며 양자리피트는 장거리 양자통신의 노드로써 꼭 필요한 원천 기술이라는 점에서 궁극적으로 양자네트워크 구현을 위한 중요한 성과가 이루어졌다는 평가를 받고 있다.
- 연구과정에서 어려운 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지?
독립적인 양자광원들 사이에 양자간섭 현상에 대한 기존의 연구는 펄스형태의 양자광원을 이용되었기 때문에 광자들이 양자간섭 상태로 도달되는 시각을 동기화시키는 방법으로 관측되었다.
그럼에도 불구하고 독립적인 양자광원 사이의 양자간섭은 수 시간 동안 측정된 결과로부터 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 연속적으로 생성되는 독립적인 양자광원들 사이에 양자간섭을 시각 동기화 없이 완전히 독립적으로 측정한다.
그리고 양자간섭 효과를 관측하기 위해서 독립된 두 양자광원들 사이에 경로차이를 광학적인 방법으로 변화시키지 않고, 양자광원의 우수한 특성을 이용하여 광자측정 장치의 시간분해 방법으로 측정하는 어려움이 있었다.
이러한 어려움은 양자광원에 대한 특성 분석과 도달되는 광자의 측정 시간을 정밀하게 측정하고 조절하여 매우 높은 품질의 양자간섭 신호를 짧은 시간에 측정하고 분석하는데 성공했다.
- 이번 연구 성과의 특징을 요약한다면?
이번 성과는 원자 증기 셀에서 얻어진 연속적으로 생성되는 고품질의 양자광원을 이용하여 짧은 시간에 독립적인 양자광원들 사이에서 우수한 양자간섭 현상을 측정했다는 점에서 기존의 연구결과들과 큰 차이가 있다.
특히, 원자 증기 셀을 이용하기 때문에 장치와 동작이 간단하다는 큰 장점을 가지고 있기 때문에 실질적인 장거리 양자통신에 필요한 양자리피터 구현을 위해서 우수성이 있다.
또한 원자에서 생성된 광자들이기 때문에 원자를 이용한 양자메모리를 구현할 수 있다는 장점을 가지고 있기 때문에 양자네트워크 구현을 위해서도 중요한 결과라고 할 수 있다.
시각동기 없이 독립적인 양자광원들 사이에 양자간섭을 통한 양자상태 전송이 가능하게 되었고, 무엇보다도 짧은 시간에 이러한 측정이 가능하다는 새로운 연구방법론을 제시하였다는 점에서 의의가 크다고 하겠다.
- 향후 목표와 연구계획은?
이번에 이루어낸 성과를 바탕으로 원자 증기 셀을 기반으로 하는 양자얽힘 광원을 개발하고 이를 이용한 양자간섭 효과를 측정함으로써 양자상태 전송을 실제로 구현하고자 한다.
지속적인 연구지원이 이루어진다면, 이러한 양자상태 전송을 구현하는데 있어서 양자메모리를 포함하여 구현함으로써 원자 매질에 저장된 양자상태를 제어하는 능동적인 양자네트워크 구현에 원리를 구현할 수 있을 것으로 기대한다.
또한 이러한 원자와 광자의 상호작용을 통한 연구는 양자역학에 대한 이해와 더 나아가서 양자정보통신의 응용으로 발전할 수 있을 것으로 기대한다.
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