양자통신 한계 극복하는 포톤에코

양자통신은 정보를 빛의 기본입자인 광자의 양자 상태에 실어 전달하는 새로운 방식의 통신으로, 고전적 통신용량의 한계를 극복할 대안이 되고 있습니다.

한 펄스에 여러 개의 정보를 중첩하여 전송하므로, 빠른 속도와 정확한 정보전달 등 기존의 통신에 비해 많은 장점이 있습니다.

지금까지 불가능하다고 여겨왔던 100km 이상의 장거리 양자통신을 가능하게 하는 방식이 개발됐습니다.

■ 인하대 함병승 교수는 양자메모리 분야에서 지금까지 한계로 인식되던 밀리초 정도의 짧은 저장시간(스핀위상전이시간)을 수 시간까지 저장할 수 있는(스핀밀도전이시간) 새로운 포톤에코 방식을 개발했습니다.

함 교수는 지난 2009년 광잠금 라만에코방식의 양자메모리 프로토콜을 개발하였지만(Nature Photonics 발표), 마이크로파 영역대의 에코신호를 광신호로 치환하는 번거로움과 양자소음 미해결이 문제점으로 대두되었습니다.

이번에 개발한 포톤에코방식은 기존의 '광잠금' 방식을 차용하여 저장시간은 동일하되, '이중재위상화' 방식을 적용하여 양자소음문제와 마이크로파-광신호 치환문제를 동시에 해결했습니다.

이번 양자메모리 연구는 기존의 연구방식과는 차별되는, 특히 국내 연구진 단독으로 일궈낸 의미 있는 결과로서, 우리나라가 미래형 차세대 양자정보처리와 장거리양자통신의 핵심원천기술을 선점하고 선도할 수 있는 계기를 마련했습니다.

이번 연구결과는 미국물리학회에서 발간하는 양자광학분야의 권위 있는 학술지인 'PRA Rapid Communications'에 4월 1일자로 게재됩니다.

(a) 광잠금/이중재위상 포톤에코를 위한 에너지준위.
(b) 전산모사 결과. D/W/R은 세펄스 포톤에코 방식을 이룸. C1/C2은 광잠금을 이룸. RR은 이중재위상 광펄스. 첫 번째 에코 E1은 조용한 에코로서 발생이 억제되나, 이중재위상에 의한 최종에코 E2는 밀도반전 없이 발생.

이중재위상과 광잠금에 의한 포톤에코 한계극복

본 포톤에코-양자메모리 방식의 핵심은 기존의 포톤에코에서 한계였던 밀도반전에 의한 양자소음 문제를 그림의 RR에 의한 이중재위상화로 극복했고, 광위상전이에 국한된 짧은 저장시간 문제를 C1/C2에 의한 ‘광잠금’방식을 적용하여 스핀밀도전이시간으로 해결한 데 있다.
그림에서 보듯이, 재생에코 E2는 밀도반전 없이(붉은 선은 들뜬상태의 밀도를 나타냄) 저장시간이 연장되었는데, 이 때 저장시간은 기존물리학의 한계였던 스핀위상전이시간(천분의 일초)을 초월하여 스핀밀도전이시간 즉 수 시간까지 가능하다.

 용  어  설  명

양자메모리 :
고전적인 전자정보나 광정보를 원하는 시간만큼 저장시켰다가 다시 꺼내 쓸 수 있는 장치 혹은 기술에 상응하는 개념으로서, 비고전적 양자정보를 잠시 저장할 수 있는 장치 혹은 기술방식으로 양자정보처리에 있어서 핵심요소기술

광잠금 방식 :
고전/비고전을 막론하고 어떠한 광학적 정보든지 시간의 흐름에 따라 원래의 값을 잃게 되는데, 본 양자메모리에 있어 광밀도전이에 따른 양자정보의 유실을 막기 위해 들뜬 상태에 있는 원자들을 독립적 상태에 있는 바닥상태 스핀준위로 옮겨놓는 방법으로 양자메모리 저장시간을 획기적으로 늘릴 수 있는 핵심원리.

스핀밀도전이시간 :
매질내 광전이(가시광선, 적외선, 자외선 등의 파장을 가짐)에 있어 들뜬상태준위에 있는 원자들이 바닥상태준위로 떨어지는데 필요한 시간에 대응하는 것으로서, 바닥상태준위사이 혹은 스핀(마이크로 파장을 가짐)의 밀도전이시간.

양자통신 :
정보를 빛의 기본입자인 광자의 양자 상태에 실어 전달하는 새로운 방식의 통신. 고전적 통신용량의 한계를 극복할 대안으로, 한 펄스에 여러 개의 정보를 중첩하여 전송하므로, 빠른 속도, 정확한 정보전달 등 기존의 통신에 비해 많은 장점이 있음

라만에코 :
2준위계를 이용하는 포톤(혹은 스핀)에코와는 달리, 3준위계에서 서로 다른 두 개의 광신호의 양자결맞음을 스핀에 직접 대응(저장)시키는 방식.

이중재위상화 방식 :
전통적 포톤에코(photon echo)의 기본원리는 매질의 재위상화(rephasing)로 양자소음(quantum noise)을 야기하여, 이 문제를 해결하기 위해 2010년 함 교수팀이 이중(double) 재위상화 방식을 제안함

<연 구 개 요> Coherent control of collective atom phase for ultralong, inversion-free photon echoes B. S. Ham (Phys. Rev. A Rapid Communications. USA - 2012. 4. 1 출판) 무어의 법칙에 기초하여 지난세기를 이끌어 온 현대문명의 해심동력인 전자컴퓨터는 단위소자의 처리속도에서 볼 때, 그 기술적 진보는 사실상 멈추었다 해도 과언이 아니다. 무어의 법칙에 따른 나노기술의 발전은 결국 스스로를 파괴할 수밖에 없는 양자세계로 향하고 있어 양자현상은 더 이상 피할 수 없는 디지털 시대의 딜레마였다. 한편, 1995년 쇼어의 양자컴퓨팅 알고리즘은 양자역학에 기초한 미래 양자기술 발전을 추동시켰으나, 17년이 지난 현재 겨우 10여개의 양자큐빗을 구현하는데 그쳐 양자컴퓨팅에 대한 근본적인 회의가 생겨나고 있다. 그러나 아프리카 오지까지 보급되는 인터넷의 확장과 아이폰의 등장으로 촉발된 무선통신용량의 폭발적 증가세는 조만간 고전통신으로는 도저히 감내해낼 수 없는 지경에까지 내 몰릴 것이 확실시된다. 양자정보의 기술적 발전은 "더 빠르게"라는 무어의 법칙에서 "더 많이"와 "더 안전하게"라는 미래기술의 진보를 요청하고 있다. 즉, 고전적 통신용량의 한계를 극복할 대안으로 한 펄스에 여러 개의 양자정보를 중첩하여 전송하는 양자통신과 무조건적 보안에 기초한 양자암호는 이미 시대의 화두가 되어버린 셈이다.   양자통신은 고전적 디지털통신과 마찬가지로 전송거리에 한계(약 100km)가 있다. 고전통신에서 전송거리의 한계를 중계기 혹은 증폭기를 사용하여 무한거리로 확장할 수 있듯이, 양자통신에서는 양자리피터를 사용하여 극복하게 된다. 이 양자리피터에 있어 핵심소자는 양자메모리인데, 장거리 양자통신을 위해 필요한 양자메모리의 저장시간은 최소 1초로 알려져 있다. 불행하게도 현재까지의 관측된 양자메모리 저장시간은 1초보다 훨씬 짧으며 그 원리적 한계는 천분의 일초 정도에 불과한 스핀위상전이시간이다. 결국 물리학적 원리 극복 없이는 장거리 양자통신의 실용화는 요원한 셈이다.   인하대학교 함병승 교수는 이미 2009년 네이처 포토닉스에 장거리 양자통신을 가능케 하는 장시간 양자메모리 프로토콜을 제안한 바 있다. 이 양자메모리 프로토콜은 라만에코에 '광잠금(optical locking)'이란 독특한 방식을 적용한 것으로서 그 저장시간이 수 시간까지 연장될 수 있는 획기적인 것이었으나, 스핀에코를 광신호로 치환하는 부가적 과정과 광밀도역전(population inversion)에 따른 자발방출/자극방출로 인한 양자소음(quantum noise) 문제를 내포하고 있었다.    2011년 함병승 교수는 '이중재위상'방식을 최초로 포톤에코에 적용하여 양자소음문제를 해결하였으며, 2012년 이를 '광잠금'과 결합하여 양자메모리 저장시간은 스핀밀도전이시간, 즉 수 시간까지 가능하고 밀도재역전(이중재위상)으로 인해 양자소음이 제거된 새로운 양자메모리 프로토콜을 제안하였다. 이에 따르면, 양자광신호의 다중양자모드 즉 다중양자광정보의 동시적인 장시간 저장이 가능하여 비로소 장거리 양자통신이 실용화될 수 있는 전기를 마련하였다. 본 논문은 2012년 4월 1일자 미국 물리학회 저널 Phys. Rev. A의 Rapid Communications에 게재될 예정인데, Rapid Communications은 PRL과 더불어 양자광학분야 최고의 논문으로 인정받는다.

<함병승 교수>          1. 인적사항  ○ 성 명 : 함병승(咸炳承, 48세)  ○ 소 속 : 인하대학교 IT공과대학 전기공학부 2. 학력  ○ 1986 : 서강대학교 물리학과 이학사  ○ 1993 : 미국 웨인주립대학교 물리학과 이학석사  ○ 1995 : 미국 웨인주립대학교 전기/컴퓨터공학과 공학박사 3. 경력사항  ○ 1996-1999 : 미국 MIT 및 공군연구소 박사후연구원  ○ 1999-2003 : 한국전자통신연구원 선임연구원  ○ 2000-2003 : 과기부지정 창의연구단장 (양자정보처리연구단) 및 한국전자통신연구원 팀장  ○ 2003-2008 : 인하대학교 정보통신대학원 부교수  ○ 2006-현재 : 교과부, 연구재단 지정 리더연구자지원사업 창의연구단장 (광양자정보처리연구단)  ○ 2008-현재 : 인하대학교 전기공학부 교수  ○ 2011-현재 : 인하대학교 인하펠로우 교수 (IFP) 4. 주요 연구 업적 및 수상   ○ 1997 : 고체에서 전자기유도투과 최초 관측 (PRL게재 및 Science News에 보도)   ○ 2002 : 고체에서 느린빛/정지빛 최초 관측 (PRL게재 및 Nature News에 보도)   ○ 2009 : 장시간 양자메모리 프로토콜 제안 (Nature Photonics 게재)   ○ 2010 : 교과부, 연구재단 이달의 과학기술자상 수상   ○ 2010 : 인천시 과학기술대상 수상   ○ 2010 : 기초연구우수성과 100선