스타트랙이라는 영화가 있다. 새로운 혹성을 탐사할 필요가 있을 때 엔터프라이즈호는 착륙하지 않는다. 승무원을 "빔다운" 즉, 공간이동(teleport) 시킬 뿐이다. 그러나 이러한 공간이동이 SF 영화에서나 가능한 것은 아니다. 실험실에서 실제로 실현되고 있다. 물론 사람과 같이 복잡한 물체를 공간이동 한다는 것은 아직 불가능하다. 공간이동을 위해서는 이동시키고자 하는 대상의 완전한 정보를 우선 획득해야 하고, 다음에 이를 멀리 떨어진 지점으로 보낸 후, 그곳에서 전송된 정보에 따라 원래의 대상물을 재조립해야 한다. 여기서 주의할 것은 물체의 화학적 성분을 안다는 것만으로는 충분하지 않다는 점이다. 그 물체의 총체적인 정보 즉 파동함수(wave function)를 정확히 알아야 한다는 것이다. 실제로 아주 간단한 물체, 예를 들어 원자 하나의 파동함수를 안다는 것도 그리 쉬운 일이 아니다. 왜냐하면 원자를 직접 측정하면 그 파동함수의 총체적인 정보를 잃기 때문이다. 이를 파동함수의 붕괴(collapse)라고 한다. 공간이동을 하려면 파동함수의 총체적인 정보를 붕괴시키지 않으면서 먼 곳까지 전송하고, 그곳에서 다른 원자를 그 파동함수로 기술되는 양자역학적 상태로 변화시켜야 한다. 이러한 전송과정을 양자 전송(quantum teleportation), 재조립 과정을 양자상태공학(quantum state engineering)이라 하며, 현재 세계적으로 널리 알려진 여러 물리 실험실에서 활발히 연구되고 있다. 최근엔 양자광학적인 방법으로 간단한 공간이동이 실현된바 있다 (1998년 2월호 Physics Today 18-21쪽 기사 참조).
이러한 연구는 당장 응용 가능한 연구가 아니어서, 요즘과 같이 경제적으로 어려운 국내에선 설득력이 별로 없는 연구라 하겠다. 그러나 당장 응용 가능한 연구는 성과가 빨리 나오는 만큼 그 파급효과가 오래가지 않는 경우가 많다. 우리나라가 수년 안에 IMF체제를 졸업할 수 있을 것임을 고려하고, 10년, 20년 후의 국가 경쟁력을 준비한다면, 지금과 같은 시대일수록 첨단 물리학에 근본을 두는 원천기술 연구에 게을리 해서는 안된다. 거시양자광 레이저 연구단(Center for Macroscopic Quantum-Field Lasers, 줄여서 CMQL)은 첨단 물리 중에서도 양자공간이동을 포함한 여러 심오한 물리현상들을 양자광학적 방법으로 연구하는 연구단으로 과학기술부의 창의적 연구사업의 지원을 받아 1998년 10월에 KAIST안에 설립되었다. CMQL은 현재 필자를 연구단장으로 하여 5명의 박사급 연구원을 포함한 총 8명의 연구원으로 구성되어 있다.
단원자 레이저와 진공 라비 진동
CMQL의 출발점은 단원자 레이저라 할 수 있다. 단원자 레이저란 원자 하나를 이용해서 레이저 빛을 발생시키는 극한 형태의 레이저이다. 보통의 레이저 안에 있는 이득매질, 즉 레이저 빛을 증폭하여 주는 부분이 수억, 수조의 원자 또는 분자들로 구성되어 있음에 반해 단원자 레이저는 원자 하나만으로 레이저 발진을 하는 것이니 참으로 놀라운 일이 아닐 수 없다. 참고로, 지금까지 발명된 여러 종류의 레이저들에 대해 레이저 발진에 필요한 원자/분자개수를 그림 2에 정리해 보았다.
단원자 레이저처럼 불가능 같은 일이 가능한 것은 우리를 둘러싸고 있는 "진공"의 독특한 성질 때문이다. 여기서 진공이란 물론 진공청소기의 진공과는 다른, 물리학에서 말하는 진짜 진공, 즉 물질, 빛 등이 없는 가장 낮은 에너지 상태를 말한다. 그런데 이러한 진공도 에너지를 갖고 있다. 이를 영점에너지(zero-point energy)라고 하며, 물리적으로는 진공요동(vacuum fluctuation), 즉 끊임없이 광자들이 생성 소멸하는 현상에 해당하는 에너지이다. 다시 말해 진짜 진공은 아무 일도 안 일어나는 상태가 아니라 이와 같이 끊임없는 요동 속에 묻혀있는 상태인 것이다. 이러한 요동은 두 개의 평행한 금속판이 외부의 영향이 없는 상태에서도 서로 끌어당기도록 만든다 (중력과는 다른 힘이다). 금속판 사이의 진공모드(vacuum mode) 개수(밀도)는 금속판의 간격이 작을수록 작다. 그런데, 진공모드 각각마다 영점에너지를 갖고 있으므로 총 영점에너지는 금속판의 간격이 작을수록 낮아지게 되어 금속판 사이에 인력이 발생하는 것이다. 이러한 힘을 처음으로 예견한 물리학자는 Casimir였는데, 발표 당시에는 황당한 이론으로 받아들여졌으나 이제는 실험실에서 측정되는 엄연한 물리현상이다.
Casimir 힘과 근본이 같은 현상으로 진공 라비 진동(vacuum Rabi oscillation)이 있다. 아주 작은 공진기 안에 여기상태의 원자가 놓이면 원자는 공진기에 의해 증폭된 진공요동의 영향을 받게 된다. 이때 공진기와 원자의 진동수가 같으면 원자는 소위 라비 진동을 하게 된다. 처음에 여기상태에 있던 원자는 바닥상태로 내려가면서 광자 하나를 공진기 모드에 주게 되며, 시간이 경과하면 다시 공진기로부터 광자를 받아 여기상태로 올라가는 것이다. 시간에 경과함에 따라 원자는 공진기와 광자를 주고받으면서, 바닥상태와 여기상태를 계속해서 왕복한다. 처음에 공진기 안에 광자가 하나도 없음에도 라비 진동이 생긴다 하여 이를 진공 라비 진동이라 부른다.
단원자 레이저는 이러한 진공 라비진동 현상을 이용하여 100 %의 효율을 갖고 원자 여기 에너지를 공진기 광자로 변환시키는 장치라 하겠다. 그림 4에 나와 있듯이, 오븐에서 만들어진 2준위 원자(실험에 사용된 원자는 배리움 원자이다)가 하나씩 공진기 안에 들어가서는 공진기에 의해 증폭된 "진공"과 강하게 상호작용 하면서 갖고 있던 에너지를 공진기 안에서 방출하고 밖으로 나온다. 물론 공진기와의 강한 상호작용이 없다면 원자는 그대로 공진기를 통과할 것이다. 단원자 레이저에서는 이런 식으로 원자의 여기에너지가 광자로 변환되어 공진기 안에 갇히게 되어 레이저 발진이 일어난다.
일반적으로 금속판 또는 공진기에 의해 변화된 진공, 구체적으로 공진기 모드와, 원자, 넓게는 물질이 어떻게 상호작용 하는가를 연구하는 분야를 캐비티 QED (Cavity Quantum Electrodynamics)라 부른다. 캐비티 QED에 관한 쉬운 소개의 글로는 S. Haroche와 D. Kleppner가 쓴 Physics Today 기사를 추천한다. 좀더 전문적인 지식에 관심이 있다면 P. Berman이 편집한 "Cavity Quantum Electrodynamics"를 보면 좋을 것이다. 단원자 레이저에 관한 소개로는 필자와 MIT의 M. S. Feld교수가 쓴 Scientific American 기사가 있으니 참조하기 바란다.
CMQL의 연구내용
CMQL은 단원자 레이저의 성능을 한 단계 높인 차세대 단원자 레이저의 개발 및 응용을 포함하여, 양자전송, 양자전산, 진공의 양자역학적 성질을 이용한 물질파(구체적으로 원자) 조작 등을 연구하고 있다.
1. 진행파 단원자 레이저
그림 5(a)처럼 υ라는 속도를 갖는 원자빔을 90도 각도에서 θ(≪1) 만큼 기울게 하여 공진기를 통과하도록 하면, 공진기로 방출되는 광자의 주파수가 Doppler효과에 의해서 변하게 된다. 공진기의 관점에서 보면 원자 스펙트럼이 마치 두 개의 봉우리를 갖는 것과 같다 (그림 5(b)). 이때 공진기의 주파수를 둘 중 하나, 예를 들어 주파수가 큰 쪽 봉우리에 맞추면, 원자는 위쪽으로만 광자를 방출하고, 또 위쪽으로 진행하는 광파로부터만 광자를 흡수하게 된다. 원자는 공진기의 정상파를 형성하는 두 개의 진행파(traveling wave) 중 하나 하고만 상호 작용을 하는 것이다. 따라서, 효과적 측면에서 볼 때 공진기의 정상파 구조는 제거된 것이나 다름없다. 또, Doppler효과에 의한 주파수 변화가 원자의 속도에 비례하기 때문에, 선폭이 좁은 공진기를 사용할 경우, 특정 속도의 원자들만이 공진기와 같은 주파수의 광자를 방출할 수 있고, 속도가 다른 원자들은 공진기와 주파수가 맞지 않기 때문에, 그냥 공진기를 통과하게 된다. 그림 6(a)는 여러 θ값에 대해 단원자 레이저의 출력을 원자-공진기 주파수 차이의 함수로 측정한 결과인데, 두개의 봉우리 사이의 거리가 θ에 비례함을 알 수 있다. 또 그림 6(b)에 나타난 것처럼, 각 봉우리의 모습은 원자속도 분포함수의 형태를 띠고 있음을 알 수 있다. 이는 주어진 원자-공진기 주파수 차에 대해 특정 속도의 원자들만이 레이저 발진에 참여함을 나타내는 것이다.
2. 진공에 의한 물질파의 회절
단원자 마이크로 레이저에 원자의 운동량과 광자상태는 양자역학적인 얽힘상태(entanglement)에 있다. 공진기 밖에서 여기된 원자가 공진기 안에 들어와서 광자를 하나 방출하면, 운동량 보존의 법칙에 따라 광자의 방출방향의 반대방향으로 원자는 반동 운동량(recoil momentum)을 얻게 된다. 예를 들어, 공진기에서 멀리 떨어진 곳에 스크린을 놓고, 원자들이 공진기를 통과한 후 어디에 부딪치는 지를 조사한다고 가정하여보자 (그림 7). 만약 공진기 안에서 원자가 광자를 방출하지 않았다면, 그 원자는 원래의 운동량을 갖고 직선운동을 할 것이므로, 스크린상의 점 A 근방에 부딪칠 것이다. 반대로 광자를 방출한 경우에는, 반사 운동량을 흡수하여 운동방향이 바뀌어 스크린상의 점 B 근방에 부딪칠 것이다. 앞에서 살펴보았듯이, 진행파 단원자 레이저에서는, 광자의 방출방향을 상/하중 하나로 선택할 수 있기 때문에, 그림 7의 스크린에 나타나는 원자의 위치는 A 아니면 B의 둘밖에 없다. 이는 마치 원자빔 형태를 띠는 드브로이 물질파가 공진기에 의해 변형된 진공에 의해 회절된 것과 같은 효과를 보이는데, 이를 진공에 의해 유도된 Kapitza-Dirac 효과라고 한다. 점 A는 0차 회절, 점 B는 ＋1차 회절에 해당한다. 원자-공진기 주파수차의 부호를 반대로 할 경우 －1차 회절을 얻을 수 있다.
3. 양자 얽힘상태의 응용
양자역학의 관점에서 보면, 원자가 공진기 안에 들어있을 때, 원자-공진기의 강한 상호작용에 의해, 원자의 운동량과 광자의 얽힘상태가 형성된다. 원자의 운동량은 스크린 상의 원자 위치와 1:1 연관관계에 있으므로, 스크린에 표시되는 원자의 위치 역시 공진기 광자상태와 얽힘상태에 있다. 따라서, 스크린에서 원자의 위치를 측정하면, 100 % 확실성을 갖고 공진기 안의 광자수를 비파괴적으로 측정할 수 있다. 이렇게 관측되는 공진기 광자상태는 엄연한 광자수 상태(구체적으로 무광자 또는 단광자 상태)가 된다. 다시 말하면 원자-공진기 얽힘을 이용하여 광자수 상태를 발생할 수 있는 것이다. 이러한 얽힘 상태는 원자가 공진기를 떠나 더 이상 광자와 상호작용을 하지 않아도 변함없이 그대로 유지된다는 것이 양자역학의 기본개념인 nonlocality 개념으로, 앞서 살펴본 양자전송도 이 개념을 이용하여 구현할 수 있을 것으로 본다.
4. 정상상태 단원자 레이저
2준위 원자를 강한 펌프 레이저로 구동시키면, 2준위 원자만을 갖고도 밀도반전을 이룩할 수 있다. 이 경우, 펌프 레이저와 2준위 원자는 강하게 결합하여, 새로운 다준위 구조를 갖는 옷 입은 상태(dressed state)로 변신을 하게 된다. 이때, 펌프 레이저의 세기와 주파수를 적절히 선택하면, 옷 입은 상태의 2준위 원자를 갖고도 정상상태에서 밀도반전을 이룩할 수 있는 것이다. 예를 들어, 이터비움(Yb) 원자의 556 nm 천이에 대해, 길이 0.4 mm, 휘네스(finesse) 2백인 공진기를 사용할 경우, 레이저 발진에 필요한 원자 수는 1보다 작다. 즉 단원자만을 갖고도 레이저 문턱을 넘을 수 있게 된다. 정상상태로 작동하는 단원자 레이저에서는 공진기 밖으로 방출되는 출력광에 공진기 속 양자광의 성질이 그대로 유지됨이 전산시늉을 통해 예측된다. 정상상태에선 공진기를 경계로 하여 세부평형(detailed balance)이 형성되어, 공진기 안의 광자분포가 출력빔에 반영되는 것이다. 출력광에 공진기 속의 양자광 성질이 그대로 유지된다는 것은 응용의 관점에서 아주 중요하다. 본 연구의 초점중의 하나가 이를 실험적으로 입증하는 것이다. 또, 정상상태 단원자 레이저를 위해서는 원자 하나를 오랫동안 포획할 수 있어야 한다. CMQL에서는 강한 자기장을 적용하여 단원자 포획을 준비하고 있으며, 원자-공진기 결합에너지를 퍼텐셜 에너지로 전환하여 원자를 포획하는 방안도 연구하고 있다.
5. 준거시 양자광 레이저
단원자 레이저에서 원자의 속도를 임의의 값에 고정하고, 광자수를 변화시키다 보면 광자수가 특정 값으로 결정되는 현상이 생긴다. 이 경우 공진기 안의 원자의 수가 반드시 하나일 필요가 없으며, 적절한 조건아래에서는 준거시(mesoscopic) 영역의 원자수에서도 가능하다. 단원자 마이크로 레이저에서 원자수가 하나 이상인 경우를 다원자 마이크로 레이저 또는 간단히 다원자 레이저라 부른다. 다원자 레이저의 경우에도, 각각의 원자들이 다른 원자들을 무시하고 공진기와 개별적으로 결합, 원자-공진기의 상호작용이 근본적으로 "단원자" 수준에서 이루어질 수 있음이 최근 양자궤적시늉(quantum trajectory simulation, QTS)연구를 통해 확인된 바 있다. 그런데, 다원자 레이저에서 광자수는 공진기 안의 원자수에 따라 결정이 되는데, 원자수가 크다고 해서 광자수가 마냥 증가하는 것은 아니다. 일정한 속도로 공진기를 가로지르는 각각의 원자들이 정확히 광자방출-흡수의 주기를 1번 반복할 수 있도록 광자수가 일단 증가하면, 그 이후에는 모든 원자들이 개별적으로 정확히 그러한 주기를 1번씩 반복하기 때문에 광자수는 더 이상 변할 수 없게 된다. 이 경우, 실험적으로는 다원자 레이저의 출력이 원자빔의 밀도에 관련 없이 어떤 특정 값으로 결정되는 것으로 관측될 것이다. 이러한 광자수의 고정현상을 광자수 안정화라고 부른다. 단원자 영역에서 발생하는 광자수 포획상태는 매우 좁은 영역에서 일어나는 매우 불안정한 상태인 반면 (아직까지 실험적으로 관측되지 못했다), 다원자 수준에서 발생하는 광자수 포획상태는 광범위한 영역에서 일어나며, 마치 전자학에서 말하는 negative feedback 현상과 유사하여, 매우 안정된 상태를 이룬다. 이러한 광자수의 안정화를 양자통계의 관점에서 분석하여보면, 광자수 분포함수의 폭이 고전광이 것보다 훨씬 좁아짐을 알 수 있다. 고전광의 광자수 분포함수가 Poissonian 분포를 하는 것에 견주어 이러한 양자광 분포를 sub-Poissonian 분포라고 하는데, 이러한 분포는 양자광의 필요충분조건이 된다. 그림 8은 최근에 얻은 진행파 다원자 레이저 실험의 결과인데, 광자수 안정화를 보여줄 뿐만 아니라, 실험에서 얻은 안정화 곡선이 단원자 레이저 이론의 예상 곡선과도 상당히 일치하고 있음을 알 수 있다. 이러한 준거시 다원자 레이저는 실용적 세기의 양자광 발생의 한 가능성을 제시하고 있다.
6. 양자전산
양자전산이란 2020년 빠르면 2010년쯤이면 한계에 봉착할 기존 CPU 기술의 돌파구로서 최근 제시되고 있는 새로운 전산개념이다. 무어(Moore)의 법칙이 말해주듯이, 컴퓨터의 CPU를 구성하는 소자의 크기는 18개월마다 반으로 줄고 구동속도는 두 배로 빨라지고 있다. 그 추세라면 늦어도 20년 뒤에는 소자의 크기가 분자 크기 수준까지 떨어질 수밖에 없는데, 이러한 영역에서는 양자역학적 효과가 너무 커서 지금의 디지털 회로가 작동할 수 없게 된다. 따라서 양자역학의 기본원리를 역으로 이용하여 연산을 하는 양자전산이 그 대안으로 제시되고 있다. 양자전산에는 크게 3가지 접근방법이 있다. 캐비티 QED, 원자이온 트랩(ion trap), 핵자기공명 등이 그것이다. CMQL에서는 물질과 빛의 양자역학적 얽힘현상(entanglement)과 파동함수의 중첩원리(superposition)를 이용한 다중 큐ꞻ(qubit=quantum bit)의 구현과, 기존의 계산 방법보다 월등히 많은 양의 정보를 한꺼번에 고속으로 처리할 수 있는 양자전산 알고리즘을 연구 중이다
전망/결론
지금까지 CMQL에서 연구중인 원자-공진기 결합체를 이용한 연구들을 살펴보았다. 원자-캐비티 체계는 지금까지 가상실험에서나 논할 수 있었던 양자물리의 독특한 현상들을 실험적으로 연구할 수 있는 기틀을 제공하고 있다. 단원자 또는 다원자 레이저에서의 캐비티 QED 연구를 통해, 물질과 빛의 상호 작용을 이루는 가장 기본단위, 즉 단원자와 단광자의 상호작용에 대한 깊은 이해가 얻어지고 있다. 이러한 이해를 바탕으로 좀더 복잡하고 실용적인 체계에 응용도 모색되고 있다. 지금까지 원자물리의 범주에서 행하여진 캐비티 QED연구가 다른 응용분야에 적용되고 있다. 최근 반도체에서 기준방식 갈라짐과 같은 강결합 현상이 관측되었으며, 캐비티 QED의 원리를 이용, 양자우물 마이크로캐비티 소자에서 문턱 없는 레이저를 실현하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 경향을 살펴볼 때, 진행파 단원자 레이저 실험이나 단원자 레이저에서 보고된 향상된(enhanced) 라비 진동에 의한 문턱 없는 레이저 발진 등은 앞으로 반도체 레이저 분야에 시사하는 바가 크다. 단원자 레이저와 준거시 다원자 레이저는 기존의 레이저 빛과는 통계적 성질이 전혀 다른 양자광을 발생한다. 양자광은 신호의 불확실성, 즉 잡음이 shot-noise(일반 레이저의 이론적 한계값) 이하로 내려가기 때문에, 이를 통신에 이용하면 소수의 광자만을 갖고도 저잡음 통신이 가능해질 것이다. 양자전송, 양자전산 등의 연구는 다음 세기 정보 통신의 새로운 원천 기술의 바탕이 될 것으로 기대된다.
지금까지 살펴본 연구들이 성공하려면 무엇보다도 캐비티 QED분야의 전문가 집단이 국내에 형성되어야 한다. 본 연구단의 활동을 통해 앞으로 많은 학생들이 캐비티 QED 및 양자광학을 비롯한 첨단 물리학에 좀더 관심을 갖게 되었으면 한다. 본 연구단에 관한 좀더 자세한 사항은 연구단 홈페이지, http://sorak.kaist.ac. kr/~cmql, 또는 광학과 기술 최근호에 실린 연구단 소개의 글을 참조하기 바란다.
참 고 문 헌
[1] S. Haroche and D. Kleppner, Physics Today 42(1), 24 (1989).
[2] Cavity Quantum Electrodynamics, Advances in Atomic, Molecular, and Optical Physics, edited by P. Berman (Academic Press, Inc., NY, 1993).
[3] Michael S. Feld and Kyungwon An, Scientific American 279, 56 (1998).
[4] 안경원, 물리학과 첨단기술 5(4), 21 (1996).
[5] 안경원, "단원자 레이저를 이용한 양자광학 연구" 광학과 기술 3(2), in press (1999).
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안경원 교수는 1995년 MIT에서 단원자 레이저 연구로 박사학위를 받았다. MIT에서 Post Doc 및 Research Scientist를 거쳐 현재 한국과학기술원 물리학과 조교수 및 거시 양자광 레
이저 연구단 단장으로 있다.
(kwan@sorak.kaist.ac.kr)
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