안전하고 빠른 통신을 위한 마이크로링

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-30

인간의 마음을 얽매는 빌보의 마법 반지와는 달리, 이탈리아의 과학자들이 개별 빛 입자를 얽는 새로운 마이크로-링(micro-ring)을 개발했다. 이는 새로운 기술의 시대를 여는 중요한 단계이다. 서로 떨어져 있는 거리와는 상관없이, 두 입자 간의 순간적인 연결을 일컫는 얽힘(entanglement)은 모든 물리 현상 중에서도 가장 흥미롭고 유망한 것 중 하나이다. 적절히 적용된 얽힌 광자는 컴퓨터나 통신, 그리고 사이버 보안에 혁명을 일으킬 수 있다. 실험실에서 손쉽게 만들어져서, 비교적 큰 규모의 광전자 부품에 사용되는 얽힌 광자가 일반적인 컴퓨터 칩에 들어갈 수 있도록 하는 방법은 아직 명확하지 않다. 미국 광학 협회(OSA)의 새로운 저널인 Optica에 발표된 이 논문에서, 과학자들은 표준 실리콘 칩에 들어갈 수 있을 만큼 작아서, 얽힌 광자의 지속적 공급을 생성할 수 있는 미세한 부품을 최초로 개발했다고 밝혔다. 이 새로운 설계는 마이크로-링 공진기로 알려진 실리콘 기술에 기반을 두고 있다. 실제로 실리콘 웨이퍼에 식각된 이들 공진기는 입자를 여기에 몰아넣고, 재방출하는 고리(loops)라고 할 수 있다. 이러한 공진기 설계를 조정하여, 연구진은 얽힌 광자를 만들어냈으며, 이것은 믿을 수 없을 만큼 작고, 매우 효율적이어서, 온-칩 구성 요소에 매우 이상적이다. “우리 기술의 주요 장점은 작고, 실리콘을 기반으로 한다는 것”이라고 이탈리아 Universita degli Studi di Pavia의 연구원이자, 이 논문의 공동 저자인 Daniele Bajoni가 말했다. “이 링 공진기의 넓이는 단지 20미크론에 불과하며, 이는 인간 머리카락의 10분의 1 정도이다. 이전의 기술은 우리가 개발한 것보다 몇 백 배나 더 크다”고 그는 말했다. 과학자들과 공학자들은 얽힌 광자의 엄청난 실제적 가능성을 인정했다. 이러한 양자 물리의 호기심을 표현하여, 아인슈타인은 “유령 같은 원격 작용(spooky action at a distance)”이라고 표현했으며, 이는 실제 기술에 두 가지 중요한 의미를 가진다. 우선, 만약 무언가가 얽힌 광자 중 하나의 역할을 하면, 다른 하나는 즉시 응답에 반응한다. 설사, 그것이 컴퓨터 칩의 반대쪽에 있거나, 심지어, 은하계의 다른 쪽에 있다고 할지라도 말이다. 이러한 행동은 전력이나 컴퓨터의 속도를 향상시키는데 활용될 수 있다. 두 번째 의미는 이 두 광자가 어떤 의미에서는 단일체로 고려될 수 있으며, 이는 해킹을 막을 수 있는 새로운 통신 프로토콜을 가능케 할 것이다. 이렇듯 불가능해 보이는 행동이 오늘날의 가장 진보한 슈퍼컴퓨터나 보안 통신보다 훨씬 더 강력한 컴퓨터를 초래할 수 있는 차세대 기술 개발에는 필수적이다. 그러나 이러한 새로운 기술을 실현하기 위해서는 새로운 유형의 얽힌 광자 방출체가 필요하다. 이는 기존의 실리콘 칩 기술에 손쉽게 통합할 수 있어야 한다. 이러한 목표를 성취하는 것은 큰 도전이다. 현재까지, 얽힌 광자 방출체(주로 특별히 설계된 결정으로 만들어졌다.)를 오직 몇 밀리미터 크기로 줄일 수 있었지만, 이는 아직 온-칩 응용에 적용하기에는 너무 크다. 또한, 이러한 방출체는 엄청난 양의 전력을 요구하고 있으며, 이는 통신과 컴퓨터에서는 매우 귀중한 자원이다. 이러한 도전을 극복하기 위하여, 연구진은 얽힌 광자를 위한 새로운 원천 기술로서, 링 공진기의 가능성을 탐구했다. 이렇게 잘 정착된 광전자 부품은 반도체 칩의 다른 구성 요소가 만들어진 것과 같은 방식으로 쉽게 실리콘 웨이퍼에 식각할 수 있다. 공진기에 전력을 공급하기 위하여, 레이저 빔이 광섬유를 따라 표본의 입력 부분으로 전해지고, 링 주변을 질주하는 광자가 있는 공진기와 결합한다. 이는 광자가 어우러져서 얽혀지는데 이상적인 환경을 만든다. 광자가 공진기를 벗어날 때, 연구진은 그들 중 상당 부분이 얽힘의 숨길 수 없는 특징을 드러내고 있음을 관찰할 수 있었다. “우리 장비는 통합된 소스에서는 결코 볼 수 없었던 양자 기계적 속성을 가진 빛을 방출한다. 얽힌 광자가 생성되는 속도는 실리콘 통합 소스에서는 전례 없는 일이며, 매우 강력한 레이저에 의해서 펌핑되어야 하는 결정과 비교해볼 만하다”고 Bajoni가 말했다. 연구진은 이들 연구가 잘 정착된 기술에서의 본질적 양자 효과와 관련이 있다고 믿는다. “지난 몇 년 동안, 실리콘 통합 장치는 주로 통신 응용 프로그램을 위한 필터나 루트 라이트를 개발하기 위함이었다. 우리의 마이크로-링 공진기는 이러한 장치와 함께 손쉽게 사용할 수 있기 때문에, 온-칩 얽힘에 완전히 활용할 수 있는 잠재력이 있다”고 그는 말했다. 이러한 결과는 이 연구를 양자 정보 기술의 적용이나 양자 암호화 프로토콜 등을 가능케 하는데 사용될 것이다. 이것은 고전적 암호화 프로토콜은 결코 할 수 없는 방식으로 보안 통신을 성취할 것이다. Bajoni와 그의 연구진에 따르면, 이들 프로토콜은 이미 시험되고 시연되었다. 누락된 것은 작고 신뢰할 수 있는 얽힌 광자 소스를 광섬유 네트워크 전파에 가능케 하는 것이며, 이러한 문제는 그들의 혁신으로 확실히 해결될 것이다. (그림) 엑세스 도파관을 가진 실리콘 링 공진기의 모습이다. 입력에서의 녹색파는 레이저 펌프를 나타내며, 출력에서의 적색 및 청색 웨이브패킷은 생성된 광자쌍을 나타낸다. 그리고 두 개의 출력을 연결하고 있는 무한대 기호는 광자쌍 간의 얽힘을 나타낸다. Entanglement.jpg http://phys.org/news/2015-01-entanglement-chip-breakthrough-faster.html