대기에서의 양자역학적 광신호

KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 2010-03-03

공기 중으로 방출된 빛은 대기의 터뷸런스(turbulence)에 의해 끊임없이 떠밀리고 방향을 바꾸게 된다. 그러나 최근 광으로 암호화된 양자역학적 정보는 이상적인 조건일 때 순간적으로 공기를 통해 보다 우수하게 통과된다는 주장이 제기되었다. 이를 주장한 연구진은 지난해 쌍을 이룬 광자(photons)가 1백 킬로미터 이상에 걸쳐 양자역학(quantum mechanics)적으로 연결된 상태를 유지한다는 실험 결과를 보고했었다. 이를 통해 연결된 광자 쌍을 이용한 도청 불가 통신에 대한 기대감은 크게 성장하게 되었다. 암호환된 데이터는 금융, 군사, 개인 통신 보호에 있어 매우 중요하다. 몇몇 연구자들은 양자 역학에 기초한 미래의 초고속 계산을 통해 현재의 코드 구조가 깨어질 것이라고 예견하기도 한다. 그러나 양자 역학은 암호화된 데이터를 판독할 수 있는 수의 조합인 암호키(cryptographic keys)를 안전하게 분포시킴으로써 문제를 해결하는데 도움될 수도 있다. 키는 뒤엉킨(entanglement) 광자 쌍을 통해 송신되는데, 하나에 대한 측정 결과는 다른 것의 측정 결과에 영향을 미치게 된다. 만약 광자가 가로막혀있다면 이와 같이 쌍을 이룬 객체 사이의 미세한 양자적 연결은 파괴되어 키는 변경된다. 하지만, 광자가 터뷸런스 대기를 이동함에 따라 뒤엉킴이 소실되면 위와 같은 방식만으론 한계가 있다. 한편, 지난해 비엔나대(University of Vienna) 연구진은 카나리 섬(Canary Islands)의 양쪽 끝 길이에 해당하는 144 킬로미터의 거리를 0.5 밀리초 동안 여정한 후에도 쌍을 이룬 광자가 뒤엉킨 상태를 유지한다는 것을 알 수 있었다. 이와 같이 뒤엉킴이 유지된 것은 대기에 의해 방해를 받은 것이 아니라 오히려 이를 이용하게 된 결과라고 연구진은 말한다. 연구진은 섬의 한 쪽 끝에서 쌍을 이룬 뒤엉킨 광자를 생성한 후 이를 섬의 다른 쪽으로 쏘았다. 그들은 터뷸런스로 인해 1백만 개의 쌍 중에서 광자를 거의 검출할 수 없었지만, 그럼에도 불구하고 검출된 쌍의 뒤엉킴 정도는 상당히 높은 것을 확인할 수 있었다. 모든 광자를 보아야할 필요성은 이후의 선택 문제인데, 실험 결과에 따르면 조건이 최상일 경우 순간적으로 발생한 쌍이 검출될 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 결과는 대기의 특별한 성질은 아닌데, 연구진은 터뷸런스에도 불구하고 뒤엉킴의 정도가 상당히 높은 상태를 유지하는 쌍을 계산해낼 수 있었다. 그러나 터뷸런스가 많이 발생할수록 양자 투과(quantum transmission)가 향상된다는 것을 의미하지는 않는다고 연구진은 말한다. 일반적으로 기상이 악화되면 통신도 악화된다. 왜냐하면 평균 투과 품질이 떨어지기 때문이다. 그러나 유사한 투과 손실을 갖는 광섬유와 비교하면 평균적으로 요동은 대기의 채널이 보다 우수하다는 것을 의미한다. [그림] 양자역학적으로 연결된 상태를 유지하는 144 킬로미터의 거리에 대한 사진. [원문] "Entanglement Transfer through the Turbulent Atmosphere," A. A. Semenov and W. Vogel, Phys. Rev. A 81, 023835. fig_11.jpg 출처 : http://focus.aps.org/story/v25/st7