남아프리카공화국 위트워터스랜드 대학(University of the Witwatersrand)의 과학자들은 후저우 대학(Huzhou University)의 협력자들과 협력하여 양자 광학에서 가장 널리 사용되는 도구 중 하나에서 놀라운 기능을 발견했습니다. 그들은 얽힌 광자를 생성하는 표준 방법이 이전에 볼 수 없었던 위상 구조를 포함할 수 있음을 발견했습니다. 그들의 실험에서 이러한 구조는 기록적인 48차원에 도달했으며 17,000개 이상의 서로 다른 토폴로지 서명을 포함하여 안정적인 양자 정보를 인코딩하기 위한 광대하고 새로운 “알파벳”을 생성했습니다.
대부분의 양자 광학 연구실에서는 SPDC(자발 파라메트릭 하향 변환)라는 기술을 사용하여 얽힌 광자를 생성합니다. 이 과정은 자연스럽게 빛의 공간적 특성에 얽힘을 만들어냅니다. 연구자들은 이 공간 구조 내에 고차원 토폴로지의 숨겨진 영역이 있다는 것을 발견했습니다. 이러한 복잡한 패턴은 정보를 저장하고 보호하는 새로운 방법을 제공하여 잠재적으로 양자 시스템을 소음에 더 잘 견딜 수 있게 만들 수 있습니다.
팀은 단순한 2차원 케이스부터 극도로 높은 차원까지 확장할 수 있는 빛의 궤도 각 운동량(OAM)을 사용하여 이 효과를 시연했습니다. 이러한 유연성은 이전에 인식된 것보다 훨씬 더 풍부한 구조를 허용합니다.
토폴로지는 단일 속성에서 나타납니다.
연구 결과는 네이처커뮤니케이션즈두 개의 얽힌 광자의 OAM을 측정하면 얽힘 자체의 기본 특징인 고유 토폴로지가 드러남을 보여줍니다. OAM은 무제한의 값 범위를 가질 수 있으므로 관련 토폴로지도 매우 높은 차원으로 확장될 수 있습니다.
Wits School of Physics의 Andrew Forbes 교수는 “우리는 이 연구에서 중요한 진전을 보고합니다. 토폴로지를 만들기 위해서는 하나의 빛 속성(OAM)만 필요하지만 이전에는 일반적으로 OAM과 편광이라는 두 가지 속성이 필요하다고 가정했습니다.”라고 말했습니다. “결과적으로 OAM은 고차원적이므로 토폴로지도 마찬가지이며, 이를 통해 지금까지 관찰된 최고의 토폴로지를 보고할 수 있게 되었습니다.”
연구원들은 또한 토폴로지가 2차원을 넘어서면 더 이상 단일 숫자로 설명할 수 없다는 사실을 발견했습니다. 대신, 표준 광학 시스템보다 훨씬 더 풍부하고 복잡한 구조를 반영하는 다양한 토폴로지 값이 필요합니다.
눈에 잘 띄는 곳에 숨어 있는 발견
이 혁신의 가장 주목할만한 측면 중 하나는 접근성이 얼마나 좋다는 것입니다. 필요한 리소스는 대부분의 양자 광학 실험실에 이미 존재합니다. 즉, 효과를 활용하기 위해 특수 장비나 “양자 엔지니어”가 필요하지 않습니다.
Pedro Ornelas는 “공간의 얽힘으로부터 토폴로지를 무료로 얻을 수 있습니다. 토폴로지는 항상 거기에 있었고 단지 발견되어야만 했습니다.”라고 설명합니다.
이론에 따라 유도되고 실험에 의해 확인됨
수석 저자인 Huzhou University의 Robert de Mello Koch 교수에 따르면 이러한 구조를 식별하는 것은 간단하지 않았습니다. “고차원에서는 토폴로지를 어디에서 찾아야 할지 명확하지 않습니다. 우리는 양자장 이론의 추상적 개념을 사용하여 어디를 보고 무엇을 찾아야 할지 예측했으며 실험에서 이를 발견했습니다!”
더욱 강력한 양자 기술을 향하여
궤도 각운동량 얽힘은 널리 연구되었지만 종종 깨지기 쉬운 것으로 간주되었습니다. 연구자들은 이제 토폴로지라는 렌즈를 통해 그것을 보면 그러한 관점이 바뀔 수 있다고 제안합니다. 새로 발견된 구조를 활용함으로써 과학자들은 보다 신뢰할 수 있는 양자 시스템을 개발하여 실용적인 실제 응용 프로그램의 문을 열 수 있습니다.
출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/03/260321012705.htm
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