Saint Louis대·막스 보른 연구소, 고전 비선형 광학으로 단일·이중광자 열화 유도

광자 직접 상호작용의 근본적 장벽

광자는 뛰어난 결맞음과 최고 전파 속도 덕분에 양자정보 기술의 핵심 매체로 자리잡고 있다. 그러나 광자에는 고유한 물리적 제약이 존재한다. 비선형 광학 매질에서 강도 높은 고전광은 자기위상변조와 교차위상변조를 통해 위상·진폭을 서로 조절할 수 있지만, 단일광자 수준에서는 물질의 비선형 반응이 사실상 소멸에 가까워진다. 결과적으로 개별 광자끼리는 충돌하거나 산란하지 않으며, 이는 광학 기반 양자다체 역학 탐구를 가로막는 주된 장벽이었다.

고전광과 양자광의 공동 전파 전략

연구팀은 이 장벽을 우회하는 이론적 방법을 제시했다. 비선형 다모드 광학 시스템에 고강도 고전광과 단일·이중광자 양자광을 동시에 주입하는 구성이다. 고전광이 비선형 매질을 통과하며 굴절률 배경에 혼돈적 요동을 형성하고, 이 요동이 양자광자에 유효한 상호작용으로 작용한다. 엄밀한 수치 실험 결과, 단일광자 상태는 볼츠만 분포를, 이중광자 상태는 레일리-진스 분포를 따르는 모드 점유 분포가 나타났다. 이는 열화가 실제로 진행됐음을 통계적으로 뒷받침한다.

기존 접근 대비 실용적 이점

종래 광자-광자 상호작용 연구는 비선형 계수가 극단적으로 큰 특수 소재나 광자결정 공동 같은 복잡한 구조에 의존했다. 이런 소재는 제작 난도가 높고 확장성도 제한적이다. 이번 방식은 범용 비선형 광학 소재만으로 유효한 양자 비선형 상호작용을 구현할 수 있어 실험 문턱을 크게 낮춘다. 별도의 양자 비선형 소재 없이 기존 고전 광학 인프라를 양자다체 시뮬레이터로 전환할 수 있다는 점이 실용성 측면에서 주목된다.

연구의 함의와 남은 과제

이 플랫폼은 개방 양자계와 양자 열역학 연구의 실험 기반을 넓히고, 표준 실험실 환경에서 양자 상전이를 포함한 복잡한 현상을 탐구하는 경로를 열 수 있다. 그러나 현 단계는 이론 연구로, 실제 광학계에서의 잡음 내성·고광자수 확장 가능성은 아직 검증되지 않았다. 특히 고전광의 혼돈 요동이 양자 결맞음을 어느 정도까지 훼손하는지를 정량화하는 작업이 후속 과제로 남는다. 연구는 Fouad Chahrour 외 공동저자가 수행했으며 DOI 10.1126/sciadv.aeg6518로 확인할 수 있다.