산둥대 연구진, 검출기 신뢰 없이 4사용자·6링크 양자네트워크 얽힘 정량화

왜 '측정장치 독립' 검증이 필요한가

얽힘 기반 양자네트워크가 실제 통신에 쓰이려면, 분산된 얽힘이 실제로 존재하는지, 그리고 얼마나 강한지를 신뢰할 수 있게 확인해야 한다. 기존 검증 방법 대부분은 광자 검출 장비가 정상 동작한다는 가정을 전제하는데, 이 장비가 조작되면 얽힘이 없는 상태에서도 얽힘이 있다는 결과가 출력될 수 있다. 2014년 산둥대 He Lu 연구팀이 실험으로 확인한 바 있는 이 취약점을 근본적으로 제거하는 것이 이번 연구의 출발점이었다. 측정장치독립(MDI) 얽힘 검증이 대안으로 제시됐으나, 기존 MDI 방식은 테스트를 위해 별도의 보조 광자를 추가로 준비해야 해서 실험 복잡도가 높다는 한계가 있었다.

같은 광자의 두 가지 속성을 동시에 활용

연구팀이 이번에 채택한 핵심 아이디어는 광자 한 개에 내재된 두 가지 물리적 성질을 분리해 이중으로 활용하는 것이다. 광자의 도착 시각 차이(time-bin)에 얽힘 정보를 실어 나르고, 동일 광자의 편광(polarization)을 검증용 기준 상태로 삼았다. 두 성질을 결합 측정하면, 측정 장비를 신뢰하지 않고도, 그리고 추가 보조 광자 없이도, 얽힘 검증과 정량화가 동시에 이루어진다. 사용자 쌍 간 광자 일치 계수(coincidence count)를 분석하면 얽힘 존재 여부뿐 아니라 공유된 얽힘량의 하한값까지 같은 데이터에서 산출할 수 있다.

리튬나이오베이트 칩 기반 4사용자 네트워크 실증

연구팀은 집적 리튬나이오베이트(LiNbO₃) 포토닉 칩으로 광대역 얽힘 광자쌍을 생성하고, 이를 서로 다른 파장 채널로 나누어 4명의 사용자에게 분배했다. 각 연결은 20km 광섬유를 통해 구성됐으며, 4사용자 완전연결 구조에서 형성되는 6개 링크 전부에서 MDI 방식으로 얽힘을 성공적으로 검증하고 정량화했다. 리튬나이오베이트 광원의 광대역 특성은 파장 다중화를 통해 더 많은 사용자를 수용하는 데 유리하다는 점도 확인됐다.

기존 방식 대비 개선점과 한계

이번 방법은 2014년 MDI 실험과 달리 보조 광자 준비 단계가 없어 실험 자원 요건이 크게 줄었다. 또한 얽힘의 단순한 존재 확인을 넘어 정량화까지 단일 측정 데이터로 수행할 수 있어, 네트워크에서 활용 가능한 양자 자원의 크기를 평가하는 데도 직접 쓸 수 있다. 다만 현재 방식은 편광 부호화를 통한 기준 상태 준비의 신뢰성에 여전히 의존하며, 사용자 수가 늘어날 때의 확장성은 추가 실험으로 검증해야 한다.

향후 방향: 고차원·다체 얽힘으로 확장

연구팀은 더 크고 복잡한 양자네트워크로 방법론을 확장하는 것을 다음 단계 목표로 삼고 있다. time-bin 부호화가 고차원 양자 상태 생성에 자연스럽게 적합하다는 점을 활용해 고차원 얽힘 검증을 탐색하고, 여러 사용자가 하나의 얽힘 상태를 공유하는 다체 얽힘(multipartite entanglement) 구현도 연구 과제로 제시했다. 완전연결 네트워크에서 링크 수는 사용자 수의 제곱에 비례해 증가하기 때문에, 검증 방법의 효율성은 규모가 커질수록 더 중요한 요소가 된다.