UNIST-KRISS-KIST, 이론으로만 가능하던 양자 암흑상태 "실험으로 구현"

양자기술이 실용화 되려면 다수 큐비트(양자비트)를 집단적으로 제어 및 생성할 수 있는 기술과 양자 상태(얽힘과 중첩)를 장시간 유지할 수 있는 안정적인 시스템이 필수다.

국내 연구진이 이론에 머물렀던 ‘암흑 상태(dark state)’ 기반 자발적 양자 얽힘을 실험적으로 만들어내는 데 성공했다. 양자 메모리나 센서 개발에 큰 영향을 미칠 것으로 기대됐다.

UNIST는 물리학과 김제형 교수팀이 한국표준과학연구원(KRISS) 이창협 박사, 한국과학기술연구원(KIST) 송진동 박사와 함께 밝은 상태(bright state) 대비 수명이 약 600배 늘어난 암흑 상태 기반 집단 양자 얽힘을 실험적으로 유도하는 데 처음 성공했다고 5일 밝혔다.

한국표준과학연구원(KRISS) 및 한국과학기술연구원(KIST) 연구진과 암흑상태에서 양자 얽힘을 구현한 UNIST 김제형 교수.

양자 얽힘은 암흑 상태와 밝은 상태로 나타난다. 암흑상태에서는 빛을 거의 밖으로 내보내지 않아 얽힘이 오래 유지되는 특성이 있다.

이러한 얽힘 보호 특성은 양자 정보 저장과 전달에 꼭 필요하지만, 암흑 상태를 만들고 유지하기가 쉽지 않다.

연구진은 손실률이 조절된 나노 광공진기를 이용해 양자점과 공진기 사이의 결합 강도와 공진기의 손실 값 간 균형을 맞추는 방식으로 암흑 상태를 유도하는데 성공했다.

제1저자인 김규영 박사는 “공진기 손실이 너무 크면 양자점들이 서로 영향을 주지 않고 각자 독립적으로 움직이고, 반대로 결합 강도만 크면 외부 자극에 의해 강제된 집단 얽힘이 형성된다”고 설명했다.

암흑 상태에서 양자점 간 얽힘 수명은 최대 36나노초(ns)까지 늘어났다. 이는 밝은 상태 수명인 62피코초(ps)에 비해 약 600배 늘어난 수치다.

연구팀은 암흑 상태 형성의 실험적 증거로 쌍광자 방출 현상도 관측했다. 암흑 상태는 일반적으로 광자 방출이 거의 없지만, 두 개 이상의 양자점이 얽힌 경우에는 특정 조건에서 두 광자가 동시에 나오는 비고전적 집단 발광이 나타난다.

공진기에 결합된 두 양자점이 만든 암흑 상태와 쌍광자 방출 모식도

김제형 교수는 “이론에만 머물렀던 암흑 상태 얽힘을 실험으로 구현해, 손실을 잘 설계하면 오히려 얽힘을 오래 유지할 수 있다는 가능성을 보여준 연구”라며, “양자 정보 저장, 정밀 양자 센서, 양자 기반 에너지 하베스팅 등 기술 개발에 도움이 될 것”이라고 말했다.