서울대 물리천문학부 안경원 교수 연구팀(제1저자 김준기 박사)이 양자컴퓨팅 정보를 고효율로 처리할 수 있는 '단일 원자의 초방사 현상'을 구현하는데 성공했다.

초방사(superradiance)란 미국의 물리학자 로버트 디키가 1954년 이론적으로 제안한 개념으로, 원자들이 빛의 파장보다 훨씬 가깝게 밀집되어 여기상태(excited state)에 놓이면, 서로간 위상결맞음이 발생해 개별적으로 빛을 방사하지 않고 집단적으로 빛을 방사하는 현상을 말한다.

초방사가 일어나려면 좁은 공간에 많은 수의 원자가 밀집해 있어야 하는데, 이번 연구는 원자 하나로도 초방사를 발생시킬 수 있음을 입증했다는데 의미가 있다.

일반 레이저의 경우 레이저 발진을 하려면 일정 파워 이상으로 에너지를 공급해야 한다.

이 때 필요한 임계일률을 레이저 발진에 필요한 '문턱'이라고 하는데, 안 교수팀의 연구에서는 초방사에 의해 레이저 발진이 이루어지기 때문에 이런 문턱이 존재하지 않는다.

즉 원자 하나 하나를 동일한 양자 중첩상태로 준비해 광공진기를 통과시키면, 공진기 안의 원자수가 하나일지라도 공진기를 통과한 원자수의 제곱에 비례해 초방사가 일어나게 된다. 그 결과, 문턱 없는 레이저 발진이 이루어질 수 있다.

김준기 박사는 "이번 연구결과는 문턱이 없는 고효율 레이저 개발에 활용될 수 있을 뿐만 아니라, 원자의 양자 중첩 상태를 빛의 중첩 상태로 전달할 수 있기 때문에 고효율 양자 정보 처리에도 도움이 될 것으로 기대된다"고 밝혔다.

이번 연구는 사이언스지 12월 21일자 온라인판에 게재됐다.