빛은 입자성(비고전성)과 파동성을 동시에 갖는 상보성 물질로 정의되고 있는 가운데 국내 연구진이 파동성이 양자성을 결정짓는 핵심원리가 된다는 새로운 해석을 담은 연구논문을 발표했다. 100여년 전부터 제기돼온 빛의 성질에 대한 논쟁을 재점화하는 기폭제가 될 전망이다.
광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 함병승 전기전자컴퓨터공학부 교수(광양자정보처리센터장)가 양자역학에서 핵심이론인 빛의 양자성에서 불특정 입자성에 대한 반론으로 빛의 파동성을 입증하는 연구결과를 네이처(Nature) 자매지인 사이언티픽 리포트 온라인에 게재했다고 7일 밝혔다.
빛은 다른 물질에 충돌하면, 충돌된 물질을 움직이게 하는 운동 에너지를 갖고 있는 '입자성'과 빛의 에너지가 물결처럼 일정한 굴곡을 형성해 그 파장으로 여러 가지 색깔을 나타내는 '파동성'의 이중성을 갖고 있다. 그동안 양자정보에서는 핵심 주류이론으로 빛은 알갱이, 즉 특정 위상정보를 갖지 않는 입자로 이해돼 왔다.
함 교수는 전형적인 빛의 양자성을 입증하는 두 개의 입력과 두 개의 출력으로 구성된 빛 가르개 실험에서 출력사이의 반상관성(한 출력방항으로만 뭉침)이 단순히 태양빛과 같은 불특정 입자쌍으로 구성된 광자쌍에서 나타나는 현상이 아니라 입력 광자쌍이 특정한 위상관계를 가질때에야 발현될 수 있다는 사실을 이론으로 증명했다.
따라서 빛 가르개를 고전적 마하젠더 간섭계로 치환할 수 있으며 빛이 단일광자이든 레이저 빛 다발이든 양자성을 달성하는데 차이가 없기 때문에 마하젠더 간섭계는 빛의 거시양자성을 구현할 수 있는 핵심 도구가 될 수 있다고 주장했다.
함 교수는 후속 연구로 현재 광통신과 호환 가능하고 양자암호처럼 무조건으로 안전한 고전암호통신 방법과 자율주행, 드론, 해저탐사 등에 활용가능한 고차 양자상태 구현에 관한 논문을 제출한 상태다.
함 교수는 “빛의 파동성은 레이저나 광통신 등 거시적 현상을 대표하는 고전역학으로, 거시상태에서도 빛의 양자성이 가능할 수 있다는 것을 규명했다”면서 “향후 레이저에 기초한 무조건적 보안통신, 인공지능(AI) 광컴퓨팅, 양자센싱 등 기존 양자역학의 지평을 넓히는데 기여할 것”이라고 말했다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
