과학자들이 양자광에서 숨겨진 48차원의 세계를 발견했습니다.

얽힌 빛 내부에 숨겨진 48차원 구조가 양자 정보 저장 및 보호 방식을 혁신적으로 바꿀 수 있다. (사진 출처: AI/ScienceDaily.com)

남아프리카공화국 위트워터스랜드 대학교 과학자들이 후저우 대학교 연구진과 협력하여 양자 광학에서 가장 널리 사용되는 도구 중 하나에서 놀라운 특징을 발견했습니다. 그들은 얽힌 광자를 생성하는 표준적인 방법이 이전에는 볼 수 없었던 위상 구조를 포함할 수 있다는 것을 알아냈습니다. 실험에서 이러한 구조는 최대 48차원에 달했으며 17,000개 이상의 서로 다른 위상 특징을 포함하여 안정적인 양자 정보를 인코딩하는 방대한 새로운 "알파벳"을 만들어냈습니다.

대부분의 양자 광학 연구실에서는 자발적 파라메트릭 하향 변환(SPDC)이라는 기술을 사용하여 얽힌 광자를 생성합니다. 이 과정은 빛의 공간적 특성에 자연스럽게 얽힘을 만들어냅니다. 연구진은 이러한 공간 구조 안에 고차원 위상 구조의 숨겨진 영역이 존재한다는 것을 발견했습니다. 이러한 복잡한 패턴은 정보를 저장하고 보호하는 새로운 방법을 제공하여 양자 시스템을 잡음에 더욱 강하게 만들 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다.

연구팀은 빛의 궤도 각운동량(OAM)을 이용하여 이러한 효과를 입증했는데, OAM은 단순한 2차원에서부터 극도로 높은 차원에 이르기까지 다양한 차원을 아우를 수 있다. 이러한 유연성 덕분에 기존에 알려진 것보다 훨씬 더 풍부한 구조를 구현할 수 있습니다.

위상은 단일 속성에서 비롯된다

네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 에 발표된 이번 연구 결과는 얽힌 두 광자의 궤도 각운동량(OAM)을 측정하면 얽힘 자체의 근본적인 특징인 고유한 위상 구조를 알 수 있음을 보여줍니다. OAM은 무한한 범위의 값을 가질 수 있기 때문에 관련 위상 구조 또한 매우 높은 차원까지 확장될 수 있습니다.

"이번 연구에서 중요한 진전을 이루었습니다. 이전에는 빛의 각운동량(OAM)과 편광, 이렇게 최소 두 가지 특성이 필요하다고 여겨졌지만, 이제는 단 하나의 특성(OAM)만으로도 위상 구조를 만들 수 있다는 것을 밝혀냈습니다."라고 위츠 물리학과의 앤드류 포브스 교수는 말합니다. "OAM이 고차원이기 때문에 위상 구조 또한 고차원적이며, 이를 통해 지금까지 관측된 것 중 가장 높은 차원의 위상 구조를 보고할 수 있었습니다."

연구진은 또한 위상이 2차원을 넘어서면 더 이상 단일 숫자로 설명할 수 없다는 사실을 발견했습니다. 대신, 표준 광학 시스템보다 훨씬 풍부하고 복잡한 구조를 반영하는 다양한 위상 값 범위가 필요합니다.

눈앞에 숨겨져 있던 발견

이 획기적인 발견의 가장 주목할 만한 측면 중 하나는 접근성이 매우 뛰어나다는 점입니다. 필요한 자원은 대부분의 양자 광학 연구실에 이미 갖춰져 있으므로, 이 효과를 활용하기 위해 특별한 장비나 "양자 엔지니어"가 필요하지 않습니다.

페드로 오르넬라스는 "공간에서의 얽힘으로부터 위상 정보를 공짜로 얻을 수 있습니다. 그것은 항상 거기에 있었고, 단지 발견하기만 하면 됐습니다."라고 설명합니다.

이론에 따라 진행하고 실험으로 확인함

후저우대학교의 로버트 드 멜로 코흐 교수는 이번 연구의 주 저자로서, 이러한 구조를 규명하는 것이 결코 쉬운 일이 아니었다고 밝혔습니다. "고차원에서는 위상 구조를 어디에서 찾아야 할지 명확하지 않습니다. 우리는 양자장 이론의 추상적인 개념을 활용하여 어디를 살펴봐야 할지, 무엇을 찾아야 할지를 예측했고, 실험에서 그 구조를 발견했습니다!"

보다 견고한 양자 기술을 향하여

궤도 각운동량 얽힘은 광범위하게 연구되어 왔지만, 종종 불안정한 것으로 여겨져 왔습니다. 연구진은 위상수학의 관점에서 이를 바라보면 이러한 인식이 바뀔 수 있다고 제안합니다. 새롭게 발견된 이 구조들을 활용함으로써 과학자들은 더욱 안정적인 양자 시스템을 개발할 수 있을 것이며, 이는 실제 응용 분야에 새로운 가능성을 열어줄 것입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/03/260321012705.htm