양자통신용 단일광자를 더 순수하게 만드는 법, ‘빛을 키우기’보다 ‘새는 빛 막기’

양자 네트워크가 먼 거리까지 연결되려면 두 가지 조건이 중요하다. 하나는 통신에 쓸 수 있는 단일광자를 여러 개의 노드에서 안정적으로 만들어내는 것이고, 다른 하나는 그 광자가 양자 메모리와 어떤 시간적 상관관계를 갖는지 정확히 제어하는 것이다.

최근 연구 두 편은 이 문제를 서로 다른 방향에서 다뤘다. 독일 뮌헨공대(TUM)와 뮌헨 양자과학기술센터(MCQST) 연구진은 광자 방출 환경을 바꿔 원치 않는 빛을 억제했고, 대만 국립성공대와 국립칭화대 연구진은 DLCZ 방식 양자 메모리에서 생성되는 광자쌍의 상관관계를 예측하는 모델을 제시했다.

뮌헨 연구진의 접근법: 원하는 빛을 키우기보다 새는 빛을 막다

기존에는 공진기를 이용해 특정 전이의 방출 속도를 크게 높이는 ‘퍼셀 효과’가 단일광자 제어의 대표적인 방법으로 쓰였다. 하지만 높은 품질 계수(Q)를 가진 공진기는 좁은 주파수 범위에서만 강하게 작동하며, 광원과 공진기의 주파수를 정밀하게 맞춰야 한다.

TUM·MCQST 연구진은 다른 전략을 택했다. 에르븀 원자를 마이크로미터 규모의 W1 실리콘 광결정 도파관에 넣고, 도파관의 광자 밴드갭을 설계해 에르븀이 원치 않는 전이로 빛을 내보내는 경로를 억제했다. 즉, 원하는 방출을 억지로 빠르게 만든 것이 아니라 경쟁하는 방출 채널을 차단해 결과적으로 원하는 전이에 더 많은 방출이 돌아가도록 한 것이다.

초기 실험에서 원하는 전이가 전체 방사 방출에서 차지하는 비율은 약 23%에서 약 72%로 높아졌다. 약 세 배에 해당하는 개선으로, 고품질·고정밀 공진기와 주파수를 맞추지 않고도 스펙트럼 순도와 유용한 광자 비율을 높였다는 점이 핵심이다.

좁은 공진기와 무엇이 다른가

• 방출 속도: 퍼셀 공진기는 방출 수명을 크게 줄여 반복률을 높일 수 있지만, 광자 파형을 넓히고 타이밍 제어를 복잡하게 만들 수 있다. 반면 광결정 도파관 방식은 방출을 강제로 가속하기보다 기존 수명을 유지하거나 더 길게 만들 수 있어 제어가 상대적으로 완만하다.
• 작동 대역과 조정: 높은 Q의 공진기는 좁은 대역에서만 효과적이고 광원-공진기 주파수 조정이 필요하다. 광결정 밴드갭 도파관은 더 넓은 주파수 범위에서 수집과 억제를 제공하므로, 서로 다른 주파수의 에르븀 방출원을 구분하고 개별적으로 제어하기 쉽다.
• 확장성: 도파관의 확장된 모드 부피는 낮은 도핑 농도를 사용할 수 있게 해준다. 이는 작은 부피와 높은 Q를 요구하는 공진기에서 발생하는 다중화의 제약을 줄일 수 있다. 연구진은 수십 개의 에르븀 방출원을 구분하고 개별적으로 다루는 데 성공했다고 보고했다.

에르븀은 저손실 광섬유가 사용하는 통신 대역 부근에서 빛을 낸다. 따라서 이 기술은 광섬유 기반 양자 링크에 여러 개의 개별 제어 가능한 노드와 채널을 제공할 가능성이 있다. 다만 이번 결과가 장거리 양자 네트워크 자체를 시연한 것은 아니다.

대만 연구진의 접근법: DLCZ 광원과 양자 메모리의 상관관계 계산

두 번째 연구는 단일광자 장치의 재료 구조가 아니라, 광자와 양자 메모리를 함께 운용하는 방법에 초점을 맞췄다.

DLCZ는 두안(Duan), 루킨(Lukin), 시락(Cirac), 졸러(Zoller)의 이름을 딴 양자 중계기 프로토콜이다. 원자 앙상블에서 ‘쓰기’ 펄스로 스톡스 광자와 집단적 스핀 여기인 스핀파를 만들고, 이후 ‘읽기’ 펄스로 스핀파를 안티스톡스 광자로 변환한다. 이 과정에서 생성된 광자쌍의 상관관계를 잘 유지하고 제어해야 양자 메모리를 네트워크 노드로 활용할 수 있다.

국립성공대와 국립칭화대 연구진은 광자의 전파 과정과 개방계의 잡음을 함께 고려하는 이론을 개발했다. 이 모델은 하이젠베르크-랑주뱅 방정식으로 양자 잡음과 원자 동역학을 다루고, 맥스웰-슈뢰딩거 방정식으로 광장의 전파를 계산한다. 또한 쓰기 펄스가 원자 집단의 점유 분포를 변화시키는 효과도 포함한다.

이를 통해 연구진은 다음 과정을 하나의 틀에서 예측할 수 있다고 설명했다.

• 시간에 따라 발생하는 스톡스 광자
• 집단 스핀파의 생성과 진화
• 읽기 과정에서 나오는 안티스톡스 광자의 시간 파형
• 시간 분해 방식으로 측정한 스톡스-안티스톡스 교차 상관관계

실험으로 확인된 핵심적인 경향은 유용한 상관 사건과 우연한 사건이 평균 스핀파 여기 수에 다르게 의존한다는 점이다. 실제 상관 동시검출은 평균 스핀파 여기 수에 대체로 선형으로 증가하지만, 우연한 동시검출은 더 빠르게, 대략 제곱에 비례해 증가한다. 따라서 평균 스핀파 여기 수를 낮출수록 정규화된 광자쌍 교차 상관관계는 강해진다. 보고된 실험에서는 더 짧은 쓰기 펄스가 상관관계를 높이는 데 도움이 됐다.

이 결과는 쓰기·읽기 펄스의 지속 시간과 세기, 광자 회수 시점, 시간 게이트를 어떻게 설정할지 정량적으로 결정하는 데 활용될 수 있다. 목표는 조건부로 얻는 유용한 광자쌍의 비율은 높이면서 다중 여기와 우연한 배경 검출은 억제하는 것이다. 또한 회수 과정을 고전적으로 제어하면 안티스톡스 광자 파형의 일부만 선택하거나 시간적으로 나눌 수 있어, 서로 떨어진 양자 메모리와 네트워크 노드 사이의 시간 모드 일치에도 도움이 될 수 있다.

서로 다른 기술이 만나는 지점

뮌헨 연구는 재료와 광자 인터페이스를 설계하는 접근법이다. 불필요한 방출을 억제해 통신에 유용한 단일광자를 더 선택적으로 얻는 것이 목표다. 반면 대만 연구는 광원과 메모리의 동작을 설명하고 조정하는 이론적 접근법이다. 생성된 광자쌍의 시간 파형과 상관관계를 네트워크 요구에 맞게 설계하는 데 초점을 둔다.

두 결과가 곧바로 하나의 양자 중계기를 완성했다는 뜻은 아니다. 그러나 통신 대역에 맞는 다중화 가능한 광자 인터페이스와, 양자 메모리에서 나오는 광자의 시간 모드·상관관계를 조정하는 도구가 함께 발전하면 향후 양자 중계기 설계의 선택지는 넓어질 수 있다.

대만 연구의 결과는 현재 아카이브(arXiv) 프리프린트로 보고된 내용이므로, 실험적 주장은 독립적인 동료심사를 거치기 전까지는 잠정적인 결과로 보는 것이 적절하다.