새로운 'NOON 양자얽힘' 구현…양자센싱·통신 응용

포스텍

신희득 포스텍 물리학과 교수(왼쪽)와 이동진 박사. 포스텍 제공.

양자 과학 분야 핵심기술인 ‘NOON 양자얽힘’이 새로운 형태로 구현됐다. 의학, 자율주행, 통신 등 산업 분야의 해상도 및 안전성 향상에 기여할 것으로 보인다. 

포스텍은 신희득 물리학과 교수, 이동진 박사 연구팀이 기존에 알려진 NOON 양자얽힘과 다른 형태를 구현한 연구 결과를 국제학술지 ‘라이트: 사이언스 & 애플리케이션’ 온라인판에 최근 게재했다고 10일 밝혔다. 

양자역학은 원자와 분자, 광자 등 미시세계의 물리적인 현상을 다루는 분야다. 양자역학의 가장 독특하고 중요한 현상 중 하나는 ‘양자얽힘’이다. 2개 이상의 양자가 서로 연결된 것처럼 영향을 주고받는 현상이다. 서로 물리적으로 떨어져 있어도 하나의 양자에 변화가 일어나면 다른 양자도 연관된 반응을 보인다.   

양자얽힘 현상 중 NOON 양자얽힘은 두 경로를 갖는 간섭계에서 하나의 경로에 광자가 N개 있고 나머지 경로에는 광자가 없는 상태와 그 반대 상태가 중첩된 현상이다. 두 상태가 섞이면서 광자들이 두 경로로 동시에 이동해 해상도가 N배 늘어나는 효과가 있다. 

NOON 양자얽힘은 양자 이미징과 센싱, 컴퓨팅 분야에서 기존의 한계를 극복하고 특히 양자 센싱에서 초해상도와 초민감도를 이룰 수 있는 기술로 주목받고 있다.

연구팀은 기존에 알려진 NOON 양자얽힘 현상과는 다른 새로운 형태의 NOON 양자얽힘을 구현하기 위한 실험을 설계했다. 광자의 주파수를 바꾸는 주파수 광분할기를 사용해 하나의 단일모드 광섬유에 두 가지 주파수(236.45테라헤르츠(THz), 235.85THz )를 가진 광자가 중첩되도록 했다.

연구팀의 방식으로 양자얽힘을 구현하자 기존의 단일 광자 실험보다 해상도가 2배 향상됐다. 여러 광자가 동일한 경로로 이동해 훨씬 안정적이라는 점도 확인됐다. 연구팀은 이번 연구가 의학, 자율주행차 레이더, 통신 등의 분야에서 고해상도 센싱과 안전한 통신을 가능하게 할 것으로 기대했다. 
 
신 교수는 “연구팀이 발견한 주파수 기반 양자얽힘의 고유한 특성이 양자 센싱과 통신 등 여러 산업 분야에 기여하기를 바란다”고 말했다. 또 이 박사는 “단일 경로에 두 주파수를 가지는 특이성으로 인해 기존에 볼 수 없던 높은 안정성을 확인할 수 있었다”고 연구의 의의를 전달했다.

[문세영 기자 moon09@donga.com]