▲ 김윤호 교수 연구팀이 구현한 정지된 광펄스 효과를 통한 두 광펄스의 동시 포획. 이를 통해 본 논문에서 구현한 정지된 광펄스 효과가 다양한 양자정보처리 과정에 직접적으로 응용될 수 있을 정도의 광자-원자 상호작용 크기를 제공함을 보였다.

빛의 최소 에너지 단위인 광자는 전파 속도가 빠르고, 양자상태가 쉽게 바뀌지 않으며, 원하는 상태를 비교적 쉽게 준비할 수 있다는 특성으로 인해 양자정보의 전달자로서 활발히 연구되고 있다. 그러나 광자는 동시에 뚜렷한 단점을 가지고 있기도 하다. 양자정보처리를 위해서는 양자정보 사이의 논리연산이 필수적이다. 그러나 광자는 전자기파로서의 특성으로 인해 서로 직접적인 상호작용을 하지 않아 그러한 연산을 직접적으로 구현하는 것이 불가능하다. 이 때문에 두 광자 사이의 양자연산을 구현하기 위해서는 이를 매개하는 원자 매질이 있어야 하며, 이러한 간접적 상호작용의 크기는 매우 작기 때문에 효율적인 양자연산을 위해서는 상호작용의 시간을 크게 늘릴 필요가 있다. 이러한 동기에서 시작된 연구가 바로 원자 매질 내에서 속도가 0인 광자 상태를 만드는 연구이다. 원자 매질 내에서 광자가 정지하게 되면 광자끼리의 상호작용 시간이 비약적으로 상승하여, 간접적 상호작용만으로도 효과적으로 양자정보 사이의 논리연산을 구현할 수 있게 된다.

정지된 광펄스(stationary light pulse, SLP) 효과는 원자 매질을 향해 마주보며 진행하는 두 고전광을 통해 원하는 광펄스를 원자 매질 내에 포획하는 시스템이다. 정지된 광펄스 효과는 전자기유도투과(Electromagnetically induced transparency, EIT) 효과 등의 기존 광자 포획 방법론들과는 달리 원자 매질 내에서 광자의 전자기 성분을 유지할 수 있다는 특성이 있다. 이 때문에 정지된 광펄스 효과는 효율적인 광자간 상호작용을 구현할 수 있는 물리적 플랫폼으로서 현재까지도 활발히 연구되고 있다.

정지된 광펄스 효과는 2003년 고온의 원자 매질에서 고전 광펄스를 포획하며 처음 보고되었고[M. Bajcsy et al., Nature (2003)], 2009년에는 극저온 원자에서도 고전 광펄스의 포획에 성공하며 정지된 광펄스 효과의 실험적 접근을 발전시켰다[Y.-W. Lin et al., PRL (2009)]. 이후 2018년에는 극저온 원자 매질 내에서 정지한 단일광자를 생성하는 실험이 수행되었고[K.-K. Park et al., PRX (2018)], 2022년에는 자유공간을 진행하는 단일광자를 원자 내에 포획하였다가 다시 전파시키는 실험에 성공하였다[U.-S. Kim et al., AVS Quantum Sci. (2022)]. 이러한 결과는 이전까지 고전광을 포획하는 것에 제한되어 있던 정지된 광펄스 효과를 양자광원으로 확장하면서 정지된 광펄스 효과가 광자를 활용한 양자정보처리 과정에 직접적으로 응용될 수 있는 가능성을 열었다.

현재까지 정지된 광펄스 효과에 관한 연구들은 고전광 포획을 넘어 양자광원을 포획하는 다양한 실험적 접근법을 발전시켜 왔다. 그러나 동시에 이때까지의 모든 관련 연구들은 정지된 광펄스 효과의 까다로운 결맞음 조건(phase-matching condition)을 만족시키기 위해 모두 하나의 공간 모드만을 가진 광펄스를 포획하는 것에 머물러 있었다. 이러한 한계점은 정지된 광펄스 효과를 통한 두 광자의 효율적인 상호작용, 나아가 광자 기반의 양자게이트를 위한 물리적 플랫폼으로 확장되는 데에 있어 큰 장애물 중 하나였다.

본 논문은 정지된 광펄스 효과의 결맞음 조건을 이론적으로 분석하여 둘 이상의 광펄스를 원자 매질 내부에 동시에 포획하는 방법론을 제시하고, 이를 기반으로 극저온 루비듐 원자 내에서 두 광펄스의 동시 포획을 실험적으로 관측하였다. 두 광펄스의 동시 포획은 0.8 μs부터 2.0 μs까지의 포획 시간 동안 0.2 μs 간격으로 측정되었으며, 포획된 광펄스의 에너지가 1/e로 감쇄되는 시간은 1.22 μs로 측정되었다. 이는 2.9\(\small \times\)10⁹의 높은 Q 인자를 가지는 광학 공동에 대응되는 결과이다. 또한 본 논문에서는 실험에 사용된 수치들을 기반으로 정지된 광펄스 효과로 인한 광자-원자 상호작용의 크기를 계산하여 8\(\small \times\)10⁶의 N-atom cooperativity에 해당하는 결과를 얻을 수 있었다. 

본 논문의 결과는 기존 연구들의 한계를 극복하며 정지된 광펄스 효과를 이용하여 여러 개의 광펄스를 원자 내부에 포획할 수 있음을 이론적, 실험적으로 확인한 결과이다. 동시에 정지된 광펄스 효과가 cavity QED 등의 기존 접근법들보다 더 강한 원자-광자 상호작용 크기를 가질 수 있음 또한 제시한다. 이러한 결과는 확장가능한 광자간 상호작용을 요구하는 양자 네트워크, 광자를 이용한 다양한 다체 물리학(many-body physics) 의 시뮬레이션 등에 직접적으로 응용될 수 있을 것으로 전망된다.