전자와 같은 작은 입자들은 고전물리학으로 설명할 수 없는 특이한 움직임을 보이고 있다.

아인슈타인이 '원격 상태에서 일어나는 유령 현상'이라고 불렀던 것으로 전자와 같은 작은 입자들이 멀리 떨어진 후에도 특별한 관계를 유지하는 것을 말한다.

예를 들어 한 입자의 위치나 운동량, 스핀과 같은 특성을 측정한 순간, 다른 곳에 있는 입자의 특성이 같은 순간 ‘즉시’ 바뀌어 입자의 상태를 결정하게 된다. 이를 양자 얽힘(quantum entanglement)이라고 하는데 과학자들이 이런 특성을 활용해 정보를 교환하고 있다.

고밀도 원자 속에서 양자 전송 가능해 

1일 인터넷 포럼 ‘빅 싱크(Big Think)’는 일본 요코하마 국립대학 연구팀이 양자의 특이한 성질을 활용해 다이아몬드 안에서 양자정보를 전송하는데 성공했다고 보도했다.

연구를 이끈 히데오 코사카 교수는 “그동안 접근하기 어려운 공간(inaccessible space)에서 양자정보를 전송하기 위한 실험을 진행해왔다.”고 말했다.

교수가 말한 접근하기 어려운 공간이란 다이아몬드 안에 있는 탄소 원자들을 말한다. 이 원자들은 평면상에서 3개의 다른 탄소 원자와 결합하여 육각형을 이루며, 이런 2차원적인 평면들이 탄탄하게 쌓여 있는 구조를 이루고 있다.

연구팀은 이 다이아몬드의 구조를 정밀 분석했으며, 그 안에 매우 작은 틈이 있다는 것을 알아냈다. 그리고 그 안에 질소 원자들이 들어 있다는 사실을 확인할 수 있었다.

코사카 교수 연구팀은 사람 머리카락의 4분의 1 정도에 해당하는 매우 가는 전선(wire)를 제작해 그 틈새 안에 주입한 후 극초단파와 라디오파를 일으켜 그 틈새에 전자(electron)와 탄소동위원소(carbon isotope)를 주입했다.

그러자 틈새 안에서 진동하는 자기장(oscillating magnetic field)이 형성됐고, 자기장 안에 들어 있는 입자들을 통해 다이아몬드와 같은 고밀도의 고체 속에서도 양자 전송(Quantum teleportation)이 가능하다는 사실을 증명할 수 있었다.

‘빅 싱크’는 이번 연구를 통해 다이아몬드와 같은 고밀도의 고체 상태에서 양자 정보를 전송하는 양자 전송(Quantum teleportation) 기술을 적용할 수 있는 길이 열렸다고 말했다.

특히 방대한 용량과 초병렬 계산이 동시에 가능한 퀀텀 컴퓨팅(quantum computing) 기술에 포괄적인 적용이 가능해 꿈의 컴퓨터로 불리는 양자 컴퓨터 개발에 향후 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 내다봤다.

양자 컴퓨터란 반도체가 아닌 원자를 기억소자로 활용하여 슈퍼컴퓨터의 한계를 뛰어넘는 첨단 미래형 컴퓨터를 말한다. 양자역학의 특징을 살려 병렬처리가 가능해지면 기존의 방식으로 해결할 수 없었던 다양한 문제를 해결할 수 있게 된다.

양자 통신 기술 개발, 더 앞당겨져 

과학자들은 양자 전송을 순간 이동이라고 설명하고 있다.

양자 상태의 공간이동을 말하는데 한 입자의 상태가 공간상 떨어져 있는 다른 입자로 전이되는 현상을 말한다.

양자 얽힘 상태에 있는 두 입자(보통 광자)를 두 지점인 A와 B로 보낸 후 A로 간 입자와 새로 보내려 하는 제3의 입자 C를 상호 작용시키면 B 지점에 얽혀 있던 다른 광자에 C 광자의 양자 역학적 성질을 재현할 수 있다.

요코하마대 연구팀이 공개한 자료에 의하면 다이아몬드의 매우 미세한 틈새 안에 들어 있던 질소 원자(를 구성하고 있는 입자)와 새로 주입된 탄소동위원소와 전자 간에 양자 전송 현상이 일어나고 있는 모습을 그림으로 보여주고 있다.

탄소를 구성하고 있는 입자(전자)가 주변에 있는 탄소동위원소와 양자 얽힘 현상이 일어나고 있는 가운데 B에 해당하는 탄소동위원소가 또 다른 양자 얽힘을 위해 C에 해당하는 또 다른 광자(potons)를 기다리고 있는 모습이다.

관련 논문은 6월 28일자 ‘네이처’ 지에 게재됐다. 논문 제목은 ‘Quantum teleportation-based state transfer of photon polarization into a carbon spin in diamond’이다.

연구팀은 논문을 통해 양자 전송(Quantum teleportation)은 그동안 개발해온 양자 정보 통신 기술의 핵심이 되는 기술이라고 말했다.

양자계의 정보 단위인 큐비트(qubit)의 정보를 멀리 떨어져 있는 입자로 전송하기 위해 다양한 상황에서 정보를 주고받기 위한 노력을 기울여왔다는 것. 이 기술을 활용할 경우 한곳에 축적해 놓은 매우 세밀한 정보들을 먼 곳으로 순간 이동시킬 수 있다고 말했다.

또 이번 연구를 통해 원자들이 고밀도로 결합돼 있는 다이아몬드 속에서 산재하고 있는 틈새, 즉 ‘질소 빈자리 결함(nitrogen-vacancy)’을 통해 양자 전송이 가능한지를 확인할 수 있었다고 말했다.

연구팀은 다이아몬드를 통해 실현된 이 기술이 향후 양자 컴퓨터, 암호통신과 같은 양자통신 기술뿐만 아니라 DNA 데이터와 같은 생체 정보통신 기술에 이르기까지 광범위하게 사용될 수 있다고 설명했다.