中 연구팀, 양자 얽힘 거리 420km 기록… 양자 인터넷 시대 성큼

중국과학기술대학(USTC) 판젠웨이, 바오샤오후이, 장창 연구팀이 이끄는 연구진이 광섬유 420km를 통해 두 개의 냉각 원자(루비듐) 양자 메모리 간 양자 얽힘을 구현하는 데 성공했습니다. 이는 2020년에 세운 자체 기록(50km)보다 8배 이상 향상된 놀라운 성과입니다. 해당 연구 결과는 2026년 7월, 세계적인 물리학 저널인 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)'에 에디터 추천(Editors' Suggestion) 논문으로 게재되었으며, 사전 공개 사이트인 arXiv(arXiv:2504.05660)에서도 확인할 수 있습니다 .

실험은 어떻게 진행됐나

• 실험은 '앨리스(Alice)'와 '밥(Bob)'이라는 이름이 붙여진 두 개의 루비듐(Rb) 원자 앙상블 양자 메모리를 스풀(spool) 형태로 감긴 광섬유로 연결하는 방식으로 설계되었습니다 .
• 중앙에 위치한 세 번째 노드인 '찰리(Charlie)'는 두 메모리에서 도착하는 광자들을 관측하여 '벨 상태 측정(Bell-state measurement)'을 수행, 양자 얽힘이 성공적으로 생성되었음을 알리는 역할을 합니다 .
• 연구팀은 'DLCZ(Duan-Lukin-Cirac-Zoller) 단일 광자 얽힘 방식'을 사용했습니다. 이 방식은 두 개의 광자가 동시에 검출될 필요 없이 각 메모리 노드에서 방출된 단 하나의 광자만 검출되어도 얽힘을 확인할 수 있어, 장거리에서도 얽힘 생성 효율을 획기적으로 높였습니다 .

기록을 가능하게 한 세 가지 핵심 기술 혁신

1. 통신 파장대 변환 (Telecom-band wavelength conversion): 루비듐 메모리에서 방출되는 광자를 광섬유 전송 손실이 가장 낮은 텔레콤 S대역(약 1.5μm)으로 변환했습니다. 이를 통해 광섬유의 전송 손실을 약 0.17dB/km 수준으로 낮추는 데 성공했습니다 .
2. 능동형 광섬유 안정화 시스템 (Active fiber stabilization system): 420km에 달하는 장거리 광섬유 링크에서 발생하는 미세한 위상 변화(간섭 무늬 흐트러짐)를 실시간으로 보정하는 피드백 시스템을 개발했습니다. 이를 통해 장거리 구간 전체에서 안정적인 간섭 현상을 유지할 수 있었습니다 .
3. 단일 광자 DLCZ 프로토콜 (Single-photon DLCZ protocol): 기존의 2광자 동시 검출 방식 대신, 각 메모리 노드에서 하나의 광자만 검출되면 얽힘을 확인할 수 있는 방식을 사용했습니다. 검출률이 매우 낮은 장거리 환경에서 얽힘 생성 속도를 극적으로 향상시키는 핵심 기술입니다 .

'PLOB 바운드'를 넘어서다

• **PLOB 바운드(Pirandola–Laurenza–Ottaviani–Banchi bound)**란 양자 중계기 없이 손실이 있는 채널(예: 광섬유)을 통해 양자 얽힘을 분배할 때 도달할 수 있는 근본적인 이론적 한계를 말합니다 . 즉, 이 한계를 넘는 것은 물리적으로 불가능하다고 여겨졌습니다.
• 연구팀은 측정된 메모리-메모리 간 얽힘 확률이 약 230~320km 이상의 거리에서 이 PLOB 바운드를 초과함을 실험적으로 증명했습니다 . 이는 양자 메모리를 중계 노드로 활용하는 방식이 특정 거리 이상에서는 직접적인 광섬유 연결보다 더 높은 효율로 얽힘을 전달할 수 있음을 보여주는 최초의 실험적 입증입니다 .

미래 양자 인터넷을 위한 의의

• 이번 연구는 메모리 기반 양자 네트워크가 무중계(repeaterless) 이론 한계를 극복할 수 있다는 사실을 최초로 실험적으로 증명한 것입니다. 이는 양자 중계기 아키텍처의 핵심 전제를 검증한 중요한 이정표입니다 .
• 기존의 수십 km에 불과했던 도시권(Metropolitan) 규모의 양자 네트워크를 수백 km에 달하는 도시 간(Intercity) 규모로 확장할 수 있는 가능성을 열었습니다. 저장된 양자 정보가 도시와 도시를 연결하는 거리에서도 안정적으로 얽힐 수 있음을 보여준 것입니다 .
• 이번 성과는 향후 글로벌 양자 인터넷의 백본(backbone) 역할을 할 확장 가능한 메모리 기반 양자 중계기 개발을 위한 실질적인 토대를 마련했습니다. 이 기술은 장거리 양자 키 분배(QKD), 분산 양자 컴퓨팅, 보안 양자 통신 등 차세대 정보 기술의 핵심 기반이 될 것입니다 .