Generation of vortex-squeezed light in a coherently prepared medium

우주가 노래를 흥얼거리고 있다고 상상해 보세요. 하지만 가장 조용하고 어두운 방 안에서도 희미한 정전기적 잡음(static hiss)이 들립니다. 이것은 고장 난 라디오가 아닙니다. 이것은 "양자 진공 요동(quantum vacuum fluctuations)"이라고 알려진 우주의 배경 소음입니다. 텔레비전 채널이 나오지 않을 때 화면에 나타나는 노이즈와 같다고 생각하면 됩니다. 이것은 유명한 하이젠베르크의 불확정성 원리에 의해 정해진, 자연이 허용하는 최소한의 불투명함입니다. 과학자들은 이를 "표준 양자 한계(standard quantum limit)"라고 부르며, 이는 극도로 정밀하게 무언가를 측정하려는 사람들에게는 다소 골칫거리입니다. 블랙홀 충돌에서 발생하는 중력파나 단일 원자에서 나오는 미세한 자기장을 감지하기 위해 초정밀 센서를 만들고 싶다면, 이 정전기적 잡음이 방해가 됩니다.

이 소음을 극복하기 위해 물리학자들은 "압축(squeezing)"이라는 기술을 사용합니다. 공기가 가득 찬 풍선을 상상해 보세요. 옆면을 꾹 누르면 그 부분은 얇아지지만, 위아래로는 불룩하게 튀어나옵니다. 양자 세계에서 "압축된 빛(squeezed light)"은 이 풍선과 같습니다. 과학자들은 빛의 파동이 가진 특정 속성, 예를 들어 밝기의 불확실성(노이즈)을 줄이는 대신, 그 노이즈를 다른 곳으로 보냅니다. 즉, 타이밍과 같은 다른 속성의 노이즈를 증가시키는 것입니다. 이를 통해 우리는 이전에는 정전기적 잡음에 가려져 보이지 않았던 세부 사항들을 볼 수 있게 됩니다.

이제 그 압축된 빛을 가져와서 코르크 마개 모양처럼 꼬인 형태(corkscrew shape)로 만든다고 상상해 보세요. 이것이 바로 "와 vortex light(소용돌이 빛)"입니다. 이는 궤도 각운동량(orbital angular momentum)이라는 회전 운동을 전달하는 특별한 종류의 빛입니다. 마치 직선형 빔보다 더 많은 정보를 전달할 수 있는 빛의 토네이도와 같습니다. 지금까지의 큰 과제는, 이 뒤틀린 형태의 초저소음 빛을 만들 때 그 뒤틀림을 망칠 수 있는 복잡하고 투박한 기계들을 사용하지 않고 어떻게 구현하느냐 하는 것이었습니다.

이 연구에서 중국 베이항 대학교의 연구진은 이 "와 vortex-압축된" 빛을 생성하는 영리하고 새로운 방법을 제안합니다. 결정체를 쪼개거나 네 개의 서로 다른 빛 빔을 섞는 일반적인 무거운 방식 대신, 그들은 정교하게 "결맞게 준비된(coherently prepared)" 매질(원자 구름)을 사용할 것을 제안합니다. 이 준비 과정은 마치 콘서트 전 합창단을 조율하는 것과 같습니다. 빛의 음악에 맞춰 춤을 출 수 있도록 원자들이 특정한 동기화된 상태로 설정되는 것입니다.

연구팀의 아이디어는 이 준비된 원자 합창단에 와 vortex 형태의 "제어(control)" 빔을 비추는 것입니다. 빛이 원자와 상호작용함에 따라 라만 산란(Raman scattering)이라는 과정이 일어납니다. 이는 마치 공 던지기 게임과 같습니다. 제어 빔이 원자에게 공을 던지면, 원자가 그 공을 받고 즉시 다른 색상(주파수)의 새로운 공을 다시 던지는 것입니다. 연구진은 이 새로운 "신호(signal)" 빔 역시 와 vortex 형태이며, 이 과정에서 노이즈가 압축되어 나온다는 것을 발견했습니다. 더욱 흥ologically하게도, 통과하면서 원래의 제어 빔 또한 압축됩니다.

이 논문은 물리적 실험이 아닌 수학적 시뮬레이션에 기반한 이론적 제안이지만, 연구진은 "이광자 디튜닝(two-photon detuning, 빛과 원자 사이의 에너지 차이를 조절하는 방법)"과 "바닥 상태 완화율(ground-state relaxation rate, 원자들이 동기화된 춤을 얼마나 빨리 잃는지의 정도)"이라는 몇 가지 변수를 조절함으로써 "최적의 지점(sweet spot)"을 찾을 수 있음을 보여줍니다. 이 최적의 지점에서 압축 효과는 최대가 됩니다. 그들은 두 빔 모두 조용해지지만, 제어 빔이 생성된 신호 빔보다 실제로 더 많이 압축된다는 사실을 발견했습니다.

또한 연구진은 원자 구름의 "밀도"를 조사했습니다. 그들은 더 많은 원자(높은 광학 밀도)를 보유하는 것이 빛이 매질을 통해 명확한 경로를 더 빠르게 구축하는 데 도움이 되지만, 일단 경로가 확보되면 밀도가 최종적인 빛의 투과 비율에는 영향을 미치지 않는다는 것을 발견했습니다. 그러나 밀도는 압축 효과 자체를 전반적으로 더 강하게 만드는 데 도움을 줍니다.

이 방법의 주요 장점 중 하나는 빛을 비틀기 위한 추가 장치가 필요 없다는 점입니다. 보통 과학자들은 일반적인 압축된 빛을 만든 다음, 이를 특수한 변조기에 통과시켜 와 vortex 형태로 만들어야 하는데, 이 과정에서 빔의 순도가 손상될 수 있습니다. 여기서는 와 vortex 형태가 처음부터 원자와 직접 상호작용하기 때문에 그 형태가 자연스럽게 유지됩니다.

저자들은 이 설정을 흔히 양자 실험실에서 사용하는 원소인 루비듐-87 원자를 사용하여 구축할 수 있다고 제안하며, 전자의 사다리 가로대 역할을 하는 특정 에너지 준위를 활용합니다. 또한 "결맞은 준비(coherent preparation)"는 STIRAP이라 불리는 기술을 통해 달성될 수 있다고 제안하는데, 이는 원자를 흔들림 없이 아주 정밀하고 부드럽게 원하는 상태로 이동시키는 기술입니다.

이것은 현재 이론적 모델이지만, 결과는 고품질의 압축된 와 vortex 빛을 생성하는 유연하고 견고한 방법을 제시합니다. 만약 이것이 실제 실험실에서 구현된다면, 양자 컴퓨터, 초정밀 센서, 보안 통신 네트워크를 더욱 발전시킬 수 있는 깨끗하고 뒤틀린 형태의 빛이라는 새로운 도구를 제공할 수 있을 것입니다. 이 연구는 시스템을 최적의 결과로 튜닝할 수 있는 여지가 많다는 점을 강조하며, 미래의 양자 실험을 위한 유망한 후보임을 보여줍니다.