Phase-Randomized Laser Pulse Generation at 10 GHz for Quantum Photonic Applications

양자 통신의 숨겨진 세계에서 보안은 예측 불가능성이라는 근본적인 원리에 의존합니다. 두 사람이 비밀 코드를 공유하려고 한다고 상상해 보십시오. 다른 누구도 이를 추측할 수 없도록 하려면, 그들이 보내는 신호는 단순히 무작위로 보이는 것이 아니라 우주의 혼돈스러운 본질로부터 태어난 진정한 무작위성을 가져야 합니다. 이러한 신호를 만드는 가장 유망한 방법 중 하나는 레이저를 매우 빠르게 껐다 켰다 하는 것입니다. 레이저가 꺼졌다가 다시 켜질 때, 그 빛은 완전히 무작위적인 '위상(phase)', 즉 빛의 파동이 정점과 골을 이루는 타이밍을 가져야 합니다. 이 타이밍이 무작위라면 신호는 안전합니다. 하지만 문제가 있습니다. 만약 레이저가 너무 빠르게 깜빡이면, 이전의 빛이 장치 내부에 남아 마치 유령처럼 다음 깜빡임에 영향을 미치게 됩니다. 이 남아있는 빛은 패턴을 만들어내어 신호를 예측 가능하게 만들고 보안을 깨뜨립니다. 수년 동안 이 잔류 효과는 과학자들이 레이저의 깜빡임 속도를 비교적 느리게 유지하도록 강요해 왔으며, 이는 비밀 메시지를 보내거나 난수를 생성하는 속도를 제한했습니다.

Toshiba Europe Ltd와 케임브리지 대학교의 연구진은 이 속도 제한을 깨뜨릴 방법을 찾아냈습니다. 그들은 레이저가 자신의 과거를 잊도록 강제하여, 완벽한 무작위성을 유지하면서도 초당 100억 번의 속도로 깜빡일 수 있는 방법을 발견했습니다. 이를 달성하기 위해 그들은 잔류하는 빛을 제거하려고 노력하는 대신, 외부 장치로부터 오는 신선하고 혼돈스러운 광원을 레이저에 쏟아부었습니다. 순수하게 자발적인 무작위 과정을 통해 빛을 방출하는 특수 다이오드로 생성된 이 외부 빛을 주입함으로써, 그들은 레이저의 기억력을 압도했습니다. 이 외부 빛은 매번의 깜빡임마다 새로운 씨앗 역할을 하여, 각 펄스가 완전히 새롭고 예측 불가능한 위상으로 시작되도록 보장합니다. 그 결과, 이 레이저는 이전에는 불가능하다고 여겨졌던 속도로 작동할 수 있게 되었으며, 고속 양자 통신을 가로막고 있던 병목 현상을 효과적으로 제거했습니다.

연구진은 전기가 공급될 때 빛을 내는 장치인 표준 레이저 다이오드를 사용하여 이 아이디어를 테스트했습니다. 일반적인 설정에서는 레이저를 껐다 켰다 하여 빛의 펄스 열을 만듭니다. 연구진이 이 레이저를 초당 10억 번의 속도로 작동시켰을 때, 시스템은 예상대로 작동했습니다. 빛의 펄스는 무작위였으며, 펄스 사이의 타이밍은 이전의 깜빡임과 아무런 연관성이 없었습니다. 그러나 속도를 초당 100억 번으로 높였을 때, 시스템은 실패했습니다. 펄스들이 서로를 기억하기 시작한 것입니다. 한 번의 깜빡임에서 나온 빛이 다음 깜빡임이 시작될 때 여전히 존재하여, 새로운 깜빡임이 이전의 타이밍을 복사하게 만들었습니다. 이는 펄스 사이에 강력한 연결 고리를 만들어 무작위성을 파괴했습니다. 이 높은 속도에서 레이저는 더 이상 독립적인 신호를 생성하는 것이 아니라, 단순히 패턴을 반복하고 있었기에 보안 통신에는 쓸모가 없게 되었습니다.

이를 해결하기 위해 연구진은 두 번째 광원인 초휘도 다이오드(superluminescent diode)를 도입했습니다. 이 장치는 레이저와 비슷하지만, 전구보다 훨씬 밝고 집중된 빛을 내면서도 타이밍은 완전히 무작위적인 빛을 방출하도록 설계되었습니다. 그들은 이 무작위한 빛을 메인 레이저의 공동(cavity) 안으로 향하게 했습니다. 효과는 즉각적이고 극적이었습니다. 무작위한 빛이 들어오자마자 펄스 사이의 연결이 사라졌습니다. 초당 100억 번의 속도에서도 각 새로운 펄스는 이전의 '유령'이 아니라 주입된 빛의 혼돈스러운 노이즈로부터 탄생했습니다. 연구진이 나오는 빛의 강도를 측정했을 때, 그것은 진정한 무작위성의 지문이라 할 수 있는 아크사인 분포(arcsine distribution)라는 특정 통계적 패턴을 따르고 있었습니다. 외부 주입이 없었을 때는 패턴이 평평하고 예측 가능했지만, 주입 후에는 보안에 필요한 혼돈스러운 형태가 다시 나타났습니다.

연구진은 레이저 내부에서 어떤 일이 일어나고 있는지 이해하기 위해 빛의 색 스펙트럼도 살펴보았습니다. 레이저가 도움 없이 너무 빠르게 작동할 때, 빛은 빗의 이빨처럼 날카롭고 뚜렷한 선들을 보여주었습니다. 이 선들은 펄스들이 완벽하게 동기화되어 패턴을 반복하고 있음을 나타냈습니다. 외부의 무작위 빛을 추가하자 이 날카로운 선들이 사라졌습니다. 스펙트럼은 매끄럽고 연속적인 곡선이 되었으며, 이는 펄스들이 더 이상 서로 결합되어 있지 않음을 보여주었습니다. 외부 빛이 레이저의 타이밍을 성공적으로 교란하여 빛의 위상이 무작위해지는 과정을 가속화한 것입니다. 이를 통해 레이저는 펄스 사이의 시간이 매우 짧음에도 불구하고 완전히 재설정될 수 있었습니다.

추가적인 빛을 넣는 것에 대한 한 가지 우려는 펄스의 타이밍이 너무 불안정해질 수 있다는 점입니다. 연구진은 이 '지터(jitter)', 즉 각 펄스가 도착하는 시점의 미세한 변동을 측정했습니다. 그들은 주입되는 빛의 양을 늘림에 따라 지터도 증가하여, 최고 주입 수준에서 4.4 피코초에서 21.9 피코초로 상승한다는 것을 발견했습니다. 그러나 그들은 이 정도의 흔들림은 허용 가능한 수준이라고 판단했습니다. 펄스들이 여전히 측정 가능할 정도로 충분히 겹쳐져 있었고, 무작위성 또한 보존되었기 때문입니다. 이 트레이드오프는 가치가 있었습니다. 약간 덜 정밀한 타이밍은 필수적인 무작위성을 회복하기 위해 지불할 만한 작은 대가였습니다. 연구진은 이 새로운 방법이 이론적으로 초당 400억 비트를 초과하는 속도로 난수를 생성할 수 있다고 계산했는데, 이는 현재의 능력에서 엄청난 도약입니다.

이 획기적인 성과는 양자 기술 발전에 있어 주요한 장애물을 해결합니다. 현재 양자 키 분배 시스템의 속도는 레이저가 무작위성을 잃지 않으면서 얼마나 빨리 전환될 수 있는지에 의해 제한됩니다. 이 문제를 해결함으로써, 연구진은 훨씬 더 빠른 통신 네트워크로 가는 문을 열었습니다. 레이저 자체는 이제 초당 100억 번 깜빡일 수 있지만, 나머지 시스템, 특히 빛을 포착하는 검출기들이 이 속도를 온전히 활용하기 위해서는 따라잡아야 할 것입니다. 그럼에도 불구하고, 이 정도의 높은 속도로 보안 무작위 신호를 생성할 수 있는 능력은 큰 진전입니다. 이는 미래의 양자 네트워크가 오늘날의 고속 인터넷과 맞먹는 속도로 작동할 수 있음을 시사하며, 해킹 불가능한 통신의 약속을 현실에 더 가깝게 가져다줍니다. 이 방법은 단순하고 견고하며, 빛의 근본적인 물리학에 의존하여 속도의 한계를 극복했다는 점에서, 때로는 앞으로 나아가기 위한 최선의 방법이 약간의 통제된 혼돈을 도입하는 것임을 증명했습니다.