고효율 양자 정보처리 가능성 입증

단일 원자의 '초방사 현상' 구현

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.

서울대 물리천문학부 안경원 교수와 김준기 박사(오른쪽).  ⓒ 서울대

서울대 물리천문학부 안경원 교수와 제1저자인 김준기 박사(오른쪽). ⓒ 서울대

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.

(a) 배리움(barium-138) 원자를 바닥상태와 여기상태의 중첩상태로 준비해 공진기에 하나씩 주입한다. 공진기 앞에 놓여있는 나노 격자에는 직경 180나노미터의 작은 구멍들이 빛의 파장(791 나노미터) 간격으로 뚫려있다. 그 결과 나노 격자를 통과해 공진기로 들어가는 원자들은 동일한 위상을 갖는 양자 상태로 준비된다.  (b) 기존 초방사에서는 다수의 원자들이 좁은 공간에 밀집해 있어야 한다(아래 그림). 반면, 단일 원자에 의한 초방사에서는 원자들이 하나씩 공진기를 통과한다. 그러면 공진기 장을 매개로 하여 이미 공진기를 지나간 원자들과 공진기에 있는 원자 사이의 상호작용이 발생하고, 그 결과  초방사가 일어난다(위 그림). 두 경우 초방사의 세기는 원자수의 제곱에 비례한다. 일반 초방사가 펄스형태로만 가능한데 비해, 단일 원자의 초방사는 지속적으로 일어나고, 레이저 발진 문턱이 사라진다는 장점을 갖고 있다.  ⓒ 서울대

(a) 배리움(barium-138) 원자를 바닥상태와 여기상태의 중첩상태로 준비해 공진기에 하나씩 주입한다. 공진기 앞에 놓여있는 나노 격자에는 직경 180나노미터의 작은 구멍들이 빛의 파장(791 나노미터) 간격으로 뚫려있다. 그 결과 나노 격자를 통과해 공진기로 들어가는 원자들은 동일한 위상을 갖는 양자 상태로 준비된다. (b) 기존 초방사에서는 다수의 원자들이 좁은 공간에 밀집해 있어야 한다(아래 그림). 반면, 단일 원자에 의한 초방사에서는 원자들이 하나씩 공진기를 통과한다. 그러면 공진기 장을 매개로 하여 이미 공진기를 지나간 원자들과 공진기에 있는 원자 사이의 상호작용이 발생하고, 그 결과 초방사가 일어난다(위 그림). 두 경우 초방사의 세기는 원자수의 제곱에 비례한다. 일반 초방사가 펄스형태로만 가능한데 비해, 단일 원자의 초방사는 지속적으로 일어나고, 레이저 발진 문턱이 사라진다는 장점을 갖고 있다. ⓒ 서울대

 

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