Super-resolving frequency measurement with mode-selective quantum memory

당신이 거의 동시에 불고 있는 두 개의 아주 작고 높은 음조의 휘슬 소리를 들으려고 노력하고 있다고 상상해 보십시오. 만약 두 소리가 서로 멀리 떨어져 있다면, 당신의 귀는 그것들을 쉽게 구별할 수 있습니다. 하지만 만약 그 소리들이 너무 가까이 속삭여서 하나의 뭉툭한 웅웅거림으로 섞여 버린다면, 당신의 귀(그리고 최고의 마이크조차도)는 벽에 부딪히게 됩니다. 빛의 세계에서 이것은 '레일리 저주(Rayleigh's curse)'라고 불리는 유명한 문제입니다. 지난 한 세기 동안 과학자들은 만약 두 빛 줄기가 색상(주파수) 면에서 너무 가깝다면, 그것들을 하나로 뭉뚱그리지 않고는 결코 구별할 수 없다고 믿었습니다. 그것은 마치 물웅덩이에 떨어지는 두 방울의 빗물을 세려는 것과 같았습니다. 물방울이 떨어진 지점이 정확히 같으면, 두 개의 물방울이 아니라 하나의 커다란 물보라처럼 보이기 때문입니다. 이러한 한계는 초정밀 시계를 만들거나, 레이저로 우주를 지도화하거나, 양자 인터넷을 구축하려는 모든 이들에게 큰 골칫거리입니다. 왜냐하면 이러한 기술들은 빛의 아주 미세한 차이를 포착하는 것에 의존하기 때문입니다.

하지만 만약 당신이 단순히 물보라를 듣는 것에 그치지 않는다면 어떨까요? 만약 당신이 물방울이 떨어지는 시간은 같더라도, 그것들이 어떻게 떨어지는지에 따라 분류하는 특별한 그물로 그 빗방울들을 잡아낼 수 있다면 어떨까요? 그것이 바로 이 새로운 연구 뒤에 숨겨진 거대한 아이디어입니다. 과학자들은 '양자 메모리'라고 불리는, 빛을 위한 마법 같은 형상 변형 그물을 만들어냈습니다. 이 장치는 단순히 빛이 얼마나 밝은지를 측정하는 대신(이것이 표준 도구들이 하는 방식입니다), 빛을 붙잡아 그 형태를 재구성함으로써, 이전에는 보이지 않았던 숨겨진 세부 사항들을 끌어낼 수 있게 해줍니다. 그들은 단일 스펙트럼 선 너의 1/20만큼만 떨어져 있는 두 가지 색의 빛을 구별해 냈는데, 이는 표준 도구로는 거의 불가능하다고 여겨졌던 업적입니다.

빛을 위한 마법의 그물

이 연구에서 임페리얼 칼리지 런던과 옥스퍼드 대학교의 연구진은 기존의 규칙을 깨는 영리한 새로운 빛 측정 방식을 선보였습니다. 그들은 필터 역할을 할 수 있도록 따뜻한 세슘 가스(기본적으로 매우 뜨겁고 투명한 원자 구름)로 만들어진 특별한 종류의 '양자 메모리'를 사용했습니다.

그들이 측정하는 빛을 하나의 노래라고 생각해 보십시오. 보통 우리가 노래를 측정할 때, 우리는 단지 그 노래가 얼마나 큰 소리인지만을 봅니다. 만약 두 명의 가수가 매우 가까운 음을 노래하고 있다면, 음량계는 그저 하나의 크고 엉망인 볼륨 스파이크만을 보게 됩니다. 당신은 어디서 한 가수가 끝나고 다른 가수가 시작되는지 알 수 없습니다. 그러나 연구진은 노래의 '밝기'가 아닌 노래의 '형태'를 듣기로 결정했습니다. 그들은 양자 메모리를 사용하여 빛을 붙잡고 매우 구체적인 질문을 던졌습니다: "너는 매끄러운 언덕 모양(특정한 파동 패턴)이니, 아니면 중간에 움푹 들어간 부분이 있는 언덕 모양이니?"

빛과 세슘 가스를 정교하게 조율함으로써, 그들은 빛을 이러한 서로 다른 형태들로 완벽하게 분류할 수 있는 시스템을 만들었습니다. 만약 빛이 '매끄러운 언덕' 모양이라면, 메모리는 그것이 쉽게 통과하도록 허용했습니다. 만약 '중간에 움푹 들어간 모양'이라면, 메모리는 그것을 차단했습니다. 이 분류 과정은 믿기 힘들 정도로 정밀합니다. 실험에서 그들은 '매끄러운 언덕' 모양의 빛을 저장하려고 했을 때, 99.6%가 '매끄러운 언덕' 상태를 유지했으며, 단 0.34%만이 실수로 '움푹 들어간' 모양과 섞였다는 것을 발견했습니다. 이것은 클럽 입구에서 신분증을 확인하는 바운서가 너무나 유능해서 잘못된 사람을 거의 놓치지 않는 것과 같습니다.

유령 같은 분리 현상을 포착하다

진정한 마법은 그들이 이 분류 기술을 사용하여 두 광원의 거리를 측정했을 때 일어났습니다. 그들은 아주 미세한 양만큼 떨어져 있는 두 개의 빛 파동이 혼합된 신호를 만들었습니다. 밝기만을 측정하는 표준 도구들은 분리 정도가 너무 작으면 차이를 보지 못했을 것입니다. 하지만 연구진은 빛을 특정한 형태들로 분류할 수 있었기에, 그들이 얼마나 많은 '매매끄러운 언덕'과 얼마나 많은 '움푹 들어간 모양'을 포착했는지 셀 수 있었습니다.

이 숫자들을 계산하기 위해 스마트한 컴퓨터 알고리즘(최대 우도 추정법, Maximum Likelihood Estimation)을 사용하여, 그들은 두 광원이 정확히 얼마나 떨어져 있는지 알아낼 수 있었습니다. 그들은 이를 몇 천 개의 광자에서 십만 개의 광자에 이르기까지 다양한 양의 빛으로 테스트했습니다. 아주 적은 양의 빛을 사용했음에도 불구하고, 그들의 방식은 265 킬로헤르츠(kHz)만큼 작은 분리도도 식별해 낼 수 있었습니다. 이 수치를 체감하기 위해 설명하자면, 그들의 빛의 폭은 5.30 메가헤르츠(MHz)였습니다. 그들은 빛 전체 폭의 약 5%에 불 달락한 틈을 찾아낸 것입니다.

결과는 놀라웠습니다. 단순히 밝기를 측정하는 기존 방식과 비교했을 때, 그들의 새로운 방식은 약 34배 더 정밀했습니다. 그것은 마치 흐릿한 저해상도 사진을 수정처럼 맑은 4K 이미지로 업그레이드한 것과 같았으며, 빛의 색을 측정하는 데 있어서 그러했습니다.

이것이 중요한 이유

이것은 단순히 실험실에서 하는 멋진 기술이 아닙니다. 연구진은 이 장치가 빛을 저장하고, 잠시 머물게 했다가(약 200 나노초), 요청 시 다시 방출할 수 있다는 것을 보여주었습니다. 이것은 비디오 스트리밍을 위한 버퍼와 같지만, 양자 정보에 대한 버퍼입니다. 빛을 저장하고, 회수하고, 재구성할 수 있기 때문에, 이 기술은 미래 양자 네트워크의 핵심 구성 요소가 될 수 있습니다.

우리가 전 세계적인 양자 센서 네트워크를 갖게 될 미래를 상상해 보십시오. 이러한 센서들은 이 메모리를 사용하여 놀라운 정확도로 시계를 동기화하거나, 신호가 매우 약하더라도 자동차나 위성의 속도를 밀리미터 단위의 정밀도로 측정할 수 있습니다. 연구진은 그들의 시스템이 매우 빠르고 느린 것 사이의 간극을 메우며, 많은 실제 응용 분야에 적합한 주파수 범위에서 작동한다는 것을 입증했습니다.

현재의 설정은 다소 부피가 크고 제어 레이저를 차단하기 위한 세심한 필터링이 필요하지만, 팀은 이것이 시작에 불과하다고 믿습니다. 그들은 설계를 개선함으로써 이 센서들을 훨씬 더 효율적으로 만들 수 있다고 제안합니다. 현재로서는, '모드 선택적(mode-selective)' 양자 메모리를 사용함으로써 우리가 레일리의 고대 저주를 깨뜨리고, 한 번에 한 광자씩 우주의 보이지 않는 세부 사항들을 볼 수 있다는 것을 증명해 냈습니다.