암흑상태 ‘양자 얽힘’ 유도 성공…수명 600배 늘렸다

공진기에 결합된 두 양자점이 만든 암흑 상태와 쌍광자 방출 모식도.[UNIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 이론에 머물렀던 ‘암흑 상태(dark state)’ 기반 자발적 양자 얽힘을 실험적으로 만들어내는 데 성공했다. 암흑 상태에서의 얽힘은 외부 간섭에 강하고 수명이 길어, 양자 메모리나 센서 등 차세대 양자 기술 개발에 도움이 될 것으로 기대된다.

울산과학기술원(UNIST) 물리학과 김제형 교수팀은 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 성공했다고 4일 밝혔다.

구별 불가능한 다수의 양자 구조 간 양자 얽힘은 암흑 상태와 밝은 상태로 나타나는데, 암흑 상태는 빛을 거의 밖으로 내지 않아 얽힘이 오래 유지되는 특성이 있다. 이러한 얽힘 보호 특성은 양자 정보 저장과 전달에 꼭 필요하지만, 암흑 상태를 만들고 유지하기가 쉽지 않았다.

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

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

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.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 7월 9일 게재됐다.