[물리학] 비선형 광학 효과 형성법

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공간에서 서로를 가로지르는 두 개의 광학빔(light beam)을 고려해 보면 언제 빔이 서로에 영향을 주는지, 빛이 구부러질 때 하나의 빔으로 귀속되는지 등에 대한 의문이 생긴다. 물론 이러한 질문에 대한 답은 광학빔이 어떤 것도 하지 못한다는 것으로 단순히 광학빔은 자신의 경로를 진행하게 된다. 공기, 물, 진공을 포함한 대부분의 매질에서 양자화된 광학빔 입자인 광자(photon)가 상호작용하지 않기 때문이다.

그러나 특정 결정 재료에서 강력한 레이저를 이용하여 광자를 서로 상호작용하고 특별한 특성을 가지도록 하는 것이 가능하였다. 비선형 광학 효과(nonlinear optical effect)로 알려진 이러한 특성은 고전 및 양자 영역 모두의 응용 분야에서 이용될 수 있다.

노스웨스턴대(Northwestern University) 연구진은 이전 방법보다 실용적인 비선형 광학 효과를 구현하기 위한 새로운 방법을 제안하였다. 연구 결과는 양자 컴퓨터의 구현을 위해 진일보한 것이며, 중력 파동(gravity wave) 검출 및 바이오 현미경같은 분야에도 응용성을 가지고 있다. 한편, 금번 연구 결과는 Physical Review Letters에 보고되었다.

단일 광자 수준에서 광학 비선형 효과를 구현하는 것은 매우 선호되는 일이지만 여러 가지 어려움이 있다. 매우 강력한 광학 비선형 재료에서 조차도 비선형 효과는 거의 발생하지 않아 무시될 정도이다. 금번 새로 개발된 방법은 효과를 보다 강력하게 만들어 반복적으로 구현하는 것이 가능할 수 있었다.

본 방법은 양자 제노 효과(quantum Zeno effect)에 기반한다. 즉, 2천년 전 화살이 움직이는 것을 볼 수 없기 때문에 움직이지 않는 것처럼 보인다고 주장했던 철학자 제노에 의해 제기된 유명한 "화살 역설"에 기인한 반직관적인 현상이다. 이러한 효과를 실제 비선형 광학 공명 시스템에 적용함으로써 연구진은 단일 광자가 특정 수준에서 실제 공간을 중첩시키지 않고 서로 강하게 상호작용한다는 것을 알 수 있었다.

연구진은 "속삭이는 회랑 모드(whispering-gallery-mode)" 공명기라는 이름이 붙은 비선형 성질을 가지고 있는 결정 재료로 만들어진 밀리미터 이하 직경의 디스크에 광학 파동을 전송하였다. 단일 광자는 디스크의 주변으로 이동하여 추가적인 광자가 공명기로 유입되는 것을 방지하기에 충분한 비선형 효과를 생성하게 된다. 이러한 방식으로 구현된 광자간의 상호작용은 대규모 양자 회로의 구축 블럭인 양자 게이트(quantum gate)를 구성하게 된다.

개발된 방법의 장점은 실용성이다. 기존의 방법들은 커다란 덩치의 장비 및 절대 온도 근처의 환경과 같이 복잡하고 극단적인 실험 조건을 필요로 한다. 이와 달리 연구진이 개발한 방법은 클린룸이 필요치 않은 밀리미터 이하 수준의 디바이스이다.

[그림]
광자는 비선형 효과를 생성하여 양자 게이트로 구동함.