펜실베이니아대, 광자 얽힘 소멸 후에도 위상적 스카이미온 패턴 유지되는 칩 시연

양자 네트워크의 핵심 취약점

양자 컴퓨터 간 연결망인 양자 네트워크는 광자 얽힘에 의존한다. 그러나 얽힘은 외부 잡음이나 간섭에 극히 민감해 쉽게 끊어진다. 이 취약성은 확장성 있는 양자 네트워크 구축의 핵심 장벽으로 꼽혀왔다. 펜실베이니아대 재료과학·공학과 Liang Feng 교수 연구팀은 위상수학적 접근으로 이 문제를 우회하려 했다. 위상수학은 형태가 변해도 바뀌지 않는 불변 성질을 다루는 수학 분야로, 도넛과 커피잔을 구멍 하나를 가진 동일한 위상 객체로 보는 것이 대표적 사례다.

스카이미온: 편광에 새겨진 위상 패턴

광자의 스카이미온은 물리적 형태가 아니라 편광 방향의 공간적 분포 패턴으로 정의된다. 이 패턴은 가능한 모든 편광 상태를 일정 횟수 포괄하도록 구성되며, 그 횟수를 나타내는 위상 권선수(topological winding number)는 국소적 교란이 가해져도 변하지 않는다. 연구팀은 이 위상적 견고성이 양자 정보를 보호하는 데 활용될 수 있을지 탐구했다.

5년 개발 끝에 완성된 소형 집적 칩

연구팀은 Singh 나노기술센터에서 약 5년에 걸친 프로토타입 제작 과정을 거쳐 칩을 완성했다. 칩은 세 가지 기능 영역으로 구성된다. 얽힌 광자 쌍을 생성하는 영역, 각 광자를 원하는 경로로 유도하는 영역, 그리고 한쪽 광자에 스카이미온 편광 패턴을 부여하는 영역이다. 이번 연구의 핵심 성과는 단일 광자에 부여된 스카이미온의 위상 특성을 두 광자가 비국소적으로 공유하는 얽힘 양자 상태 전체로 전달하는 데 성공한 것이다. 단일 광자 스카이미온 생성이나 얽힘 광자 간 스카이미온 공유를 각각 보인 선행 연구는 있었으나, 두 기능을 소형 집적 칩 위에서 함께 구현한 것은 이번이 처음이다.

얽힘 소멸 후에도 유지되는 위상 특성

연구팀이 배경광 등 외부 잡음을 점진적으로 강하게 가하자 양자 상태는 열화됐고 얽힘은 소멸했다. 그러나 스카이미온의 위상 특성은 얽힘이 사라진 이후에도 한동안 유지됐으며, 훨씬 강한 교란을 가해야 비로소 붕괴했다. 이는 스카이미온 구조가 얽힘에 의존한다고 제안했던 기존 관점과 배치되는 결과다. 얽힘 소멸 이후에도 '양자 불협화음(quantum discord)'으로 측정되는 비고전적 상관관계가 일정 수준 남아 있었으며, 이것이 위상 특성의 존속과 연관된다는 관측이 제시됐다.

의미와 남은 과제

이번 연구는 양자 정보를 위상적으로 인코딩해 네트워크 잡음에 대한 내성을 높이는 방향의 가능성을 실험적으로 뒷받침했다. 동시에 얽힘보다 넓은 범주의 양자 상관관계가 위상 보호에 관여한다는 근본적 시사점도 제공한다. 다만 현 단계의 칩은 실험실 수준 시연에 머물고 있으며, 실용화를 위해서는 장거리 광섬유 환경에서의 검증, 다광자 확장성 확보, 오류 정정 체계와의 통합 등 후속 연구가 필요하다.