[정보통신신문=박남수기자]

지스트(광주과학기술원) 전기전자컴퓨터공학부 함병승 교수(지스트 광양자정보처리센터장)는 미시세계에 한정된 기존 양자역학을 광자의 입자성이 아닌 파동성으로 재해석해 거시세계에서 구현 가능한 퀀텀레이저를 제안했다.

함병승 교수는 기존 레이저가 고전적 결맞음 이론에 기초한 빛 다발이라고 한다면 이번에 제시한 퀀텀레이저는 양자 얽힘에 기초한 비고전적 빛 다발로써 양자센싱은 물론 양자통신에 있어 최대난제인 단일광자 검출함정을 획기적으로 해결할 수 있다고 밝혔다.

양자(quantum)는 더 이상 나눌 수 없는 물질의 최소량 단위다.

얽힘(entanglement)은 입자들이 쌍으로 상관관계를 가져 거리에 관계없이 얽혀 있는 쌍의 한쪽 특성을 측정하면 다른 한쪽의 특성을 즉시 알게 되는 현상으로, 양자통신과 양자컴퓨팅의 응용 기본원리다.

전기자동차의 핵심인 자율주행에 있어 핵심난제는 라이다의 물리학적 한계에 있는데 이번에 제시한 퀀텀레이저는 양자얽힘 빛 다발을 이용함에 따라 라이다를 퀀텀라이다로 패러다임 전환하여 스캔속도, 해상도, 가시거리 등이 동시에 해결될 전망이다.

이번 연구에서 제안한 거시적 양자얽힘 기술은 기존 레이저를 그대로 이용하여 얽힘빛 쌍을 구현하는 것으로써 자체적으로 양자센싱 원리가 거시적으로 구현된 것이며, 단일광자가 아닌 빛 자체를 퀀텀라이다 신호로 쓰기에 기존 라이다의 전반적인 문제를 해결하게 된다.

라이다(LiDAR)는 주변 환경을 3D로 인식해 자율주행자동차가 안전하게 주행할 수 있도록 도와주는 장비다.

라이다의 작동원리는 초당 수백만 개의 레이저빔을 지속적으로 발사하고 이것이 센서로 되돌아오는 시간을 계산해 거리를 측정한다. 주행 중 장애물, 사람, 자동차 등을 인식하고 추적도 가능하게 해주며, 도로의 차선 경계, 전방 신호등 표시 등도 높은 정확도로 인식할 수 있다.

또한, 기존 양자암호통신에서 최대난제는 단일광자에 국한된 검출함정인데 퀀텀레이저는 태생적으로 검출함정에서 자유로움은 물론 양자신호생성에 있어서도 확정적이고 기존 검출기를 그대로 사용하기에 사실상 기존 광통신 수준의 양자통신이 가능하게 된다.

양자암호통신은 양자얽힘 광자쌍을 데이터 혹은 암호키로 이용하는 양자역학에 기초한 통신방법으로 절대보안이 물리학적으로 보장되나, 단일광자쌍 생성이 확률적이고 무엇보다도 단일광자 검출함정으로 인한 근본적 난제로 인해 전송속도 및 전송용량이 현저히 낮아 기존 통신시스템수준으로 적용이 불가하다.

함병승 교수는 “현재 양자역학에 핵심이 되는 코펜하겐 해석은 빛이 갖는 입자와 파동의 이중성인데, 그동안 양자역학계는 입자성에 매몰되어 스스로 한계를 자초한 측면이 크다”며, “이제 다른 한 축이 되는 파동성을 연구하여 새로운 해석과 시각으로 코펜하겐 해석의 양면성을 확장함은 물론, 기존 정보통신과 호환 가능한 양자정보통신을 생각해야 할 때”라고 말했다.

이번 연구결과는 네이처(Nature) 자매지인 사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)에 2021년 5월 31일 온라인 게재됐다.

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