[광학] 양자광학 : 빛의 역학적 관점, 양자 암호화에 대한 연구

 

 양자광학(Quantum optics)은 다양한 광학 분야 중의 하나로, 빛의 특성 및 빛과 매질과의 상호 작용을 양자역학적인 관점에서 설명하는 학문이다. 양자역학에 의하면 빛은 전자기파로 다루어짐과 동시에, 광자라는 입자로도 다루어진다. 이는 빛의 양자적인 특징, 즉 광자를 언급하여 고전 전자기파의 이론으로는 설명이 불가능했던 원리들을 이용하며, 이에 따라 빛과 원자와의 상호 작용 등을 연구하고 설명할 수 있게 된다. 즉 빛과 매질의 상호 작용에서 빛은 광자 하나에 해당하는 에너지를 기본 단위로 하여 매질에 흡수되거나 혹은 방출되기도 한다. 양자광학의 중요한 연구 주제로는 양자 중첩(quantum superposition)과 양자얽힘(quantum entanglement) 현상이 있는데, 이들은 최근 양자정보(quantum information) 분야의 핵심 개념이 되기도 한다. 앞서 양자얽힘에 대한 개념은 1935년 알베르트 아인슈타인, 네이선 로젠, 보리스 포돌스키가 EPR 모순이라는 양자역학의 "모순"을 밝히기 위해서 제안했던 모델에서부터 출발한다.

 

 

 EPR 사고 실험에 따르면 양자상태인 A와 B라는 물질이 서로 양자역학적인 얽힘상태에 있게 된다면, A에서 측정되는 결과가 곧바로 B에 즉각적으로 나타난다고 말한다. 이는 기존 상대성이론에서 제한하고 있는 "빛"보다 빨리 달릴 수 없다는 것에 위배되는 것이기도 하다. 그러나 1964년, 존 스튜어트 벨은 자신이 정리한 "벨의 정리"에서 고전역학에서 반드시 만족해야 하는 부등식이 양자역학에서는 "위배"할 수 있다는 것을 직접 보임으로써 양자역학의 무모순성을 증명하기도 했다. 최근 양자역학 및 양자정보 분야에서 가장 활발하게 연구되는 주제들은 먼저 광자 간의 양자얽힘 상태에 의한 양자 간섭(quantum interference) 현상과 광자를 기반으로 한 양자정보 시스템 구현, 단일 및 얽힘 광자를 이용하는 양자 측정, 비고전 광원을 대상으로 한 개발 및 정량화 방법 그리고 마지막으로 고체 및 원자 기체를 이용한 양자메모리 개발 등이 있다.

 

 

언급한 연구들은 아직 초기 단계로써 많은 학문적인 난제들이 존재하지만, 이들이 응용된다면 양자 연산 등에 획기적인 발전을 이루고 이용될 수 있다. 이러한 양자광학을 더욱 정확히 기술하고, 이해하기 위해서는 광자의 흡수와 방출을 "연산자"로써 이해할 수 있어야 한다. 양자전자공학(Quantum electronics)은 1950년대부터 1970년대 사이에 광자와의 상호 작용과 더불어, 물질 내에 존재하는 전자의 거동에 대한 양자 역학의 영향을 다루는 물리학의 영역을 나타내기 위해서 주로 사용된 용어이다. 그러나 이는 오늘날 그 자체로 다루어지는 경우가 거의 없으며, 다른 분야에 흡수되거나 공존하면서 연구되고 있다. 해당 용어의 사용은 양자 홀 효과 및 양자 셀룰러 오토마타에 대한 초기 작업을 겹쳐놓기도 했다. 또한 오늘날 "양자광학"이라는 주제로 연구되는 레이저 작동의 기본 프로세스도 포함하고 있다. 양자전자공학에서 전자의 양자 호핑 유도 수송은 탄도, 그리고 확산 수송보다 더 중요하게 여겨진다. 벨 연구소의 다니엘 로드의 로드 모델과 MIT의 슈 양탕과 밀 드레드 드레스 셀 하우스의 탕-드레셀 하우스 이론에 따르면, 양자 수송의 메커니즘은 전자당 운반되는 "엔트로피"의 최댓값을 관찰할 수 있음으로써 열전력 측정을 동해 여전히 감지할 수 있다고 전해진다.

 

 양자 광학의 기본적인 개념에 대해 살펴보면, 먼저 광자에 대해 논해야 한다. 광자는 앞에서 언급했듯 양자역학의 기본 입자를 말하며, 해당 광자는 특정 "에너지"를 가지고 있는 입자이다. 빛의 에너지는 연속적이지 않고 불연속적인 단위로 전달이 되며, 이를 광 양자화(Photon Quantization)라고 한다. 이러한 광자와 물질 간의 상호 작용, 즉 광자와 원자 또는 분자 간의 상호작용은 양자광학에서 매우 중요한 연구 주제로 언급된다. 그 예시로 원자가 특정 에너지 레벨로 전이할 때를 들 수 있는데, 이때 특정 에너지의 광자를 흡수하거나 방출할 수 있다. 이러한 "전이 과정"은 레이저와 같은 다양한 빛을 생성해 내는 장치에서 핵심적인 원리로 작용하기도 한다. 또한 양자광학에서는 고전적인 빛의 파동이 아닌, 비고전적인 빛 상태가 등장하는데, 이 예시로는 단일광자상태, 얽힘(entagled) 상태 또 스큐이즈드(Squeezed) 상태 등을 들 수 있다. 이러한 상태는 정보를 처리하거나, 정보 등의 암호화 또는 양자 통신 등을 응용하는 데 중요한 역할을 하기도 한다. 양자역학에서 "측정"이라는 것은 시스템의 상태에 큰 영향을 미치는 요소이며, 광자의 상태를 측정할 때 "불확정성"이 발생한다. 이는 하이젠베르크의 불확정성 원리에 의해 설명이 되는 부분이며, 특히 광학 시스템에서 빛의 위상 및 진폭을 동시에 정확하게 측정할 수 없다는 한계를 의미하기도 한다. 잠시 언급되었던 양자얽힘은 양자광학에서 자주 연구되는 주제 중 하나인데, 2개 이상의 광자가 얽힌 상태에 있다고 할 때, 하나의 광자의 상태를 측정하는 것이 다른 광자의 상태에 즉각적인 영향을 미칠 수 있다. 해당 특성은 비국소성(Non locality)이라고 하는데, 이는 알베르트 아인슈타인의 특수 상대성 이론에 위배되는 것처럼 보일 수 있으나, 양자역학의 핵심 원리 중 하나로 인정된다.

 

 

 양자광학의 중요 응용 분야는 오늘날 매우 다양한데, 대표적으로 "양자 암호화"를 들 수 있다. 이는 양자광학에서의 얽힘 상태와 같은 비고전적인 상태를 이용하여 보안을 강화한 통신 방법을 연구하는 것으로, 광자를 이용해 메시지, 즉 정보를 암호화하고 도청을 탐지할 수 있다는 장점도 보유하고 있어 기존에 사용 중인 암호화 방법보다 안정성이 높다고 평가받고 있다. 또 양자광학에서는 빛의 양자적 특성을 이용해 큐비트(Qubit)를 구성할 수 있는 방법을 연구하고 있다. 빛을 이용하는 양자컴퓨터는 고속 연산 및 특정한 문제에 대한 효율적인 해결이 가능하며, 또한 광자 기반의 큐비트는 전자를 기반으로 한 것보다 빠르고 안정적인 특성을 가질 수 있다는 장점이 있다.

 

 

 이처럼 최근 양자광학에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 양자 컴퓨터 개발 및 양자 인터넷 구현에 대한 연구도 성행하고 있다. 나노 광학과의 융합을 통해 나노미터 크기의 광학 장치와 고성능의 광학 소자를 개발하는 것이 가능해졌으며, 이는 초소형 센서 및 이미지 처리 기술에 적용되고 있다. 또한 빛의 위상과 진폭을 더욱더 정밀하게 제어하기 위한 연구가 여러 방면에서 진행되면서, 빛의 비고전적 상태를 다양한 방식으로 조작하고 응용하기 위한 방법 또한 탐구 주제로 다루어지고 있다. 양자광학은 현대의 물리학과 공학에 있어 매우 중요한 역할을 하고 있으며, 다양한 응용 분야에서의 혁신적인 발전을 이끄는 것이다.

 

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