[김윤호 교수] 유도 방출 없는 이광자 유도 결맞음 현상 입증

‘유도 방출 없는 유도 결맞음’은 두 경로의 확률 진폭이 구별되지 않을 때 나타나는 독특한 양자 간섭 현상으로, 검출되지 않는 광자를 활용한 양자 이미징·양자 분광 등의 새로운 연구 방식에 중요한 기여를 해왔다. 그러나 기존 연구는 모두 단일광자 영역, 즉 1차 상관함수 측정에 국한되어 있어, 이 현상이 본질적으로 양자적인지를 직접적으로 규명하는 데 한계가 있었다.

포항공과대학교 물리학과 김윤호 교수 연구팀은 이러한 한계를 넘어, 기존에 단일광자 영역에서만 확인되었던 ‘유도 방출 없는 유도 결맞음’ 현상을 이광자 상태 영역으로 확장한 새로운 양자 간섭 효과를 세계 최초로 실험적으로 입증하였다 [Im et al., Sci. Adv. 11, eadx2038 (2025)]. 연구팀은 자발적 매개변수 하향변환을 통해 이광자 Fock 상태를 생성하고, 이를 기반으로 유도 방출 없는이광자 유도 결맞음효과를 구현했으며, 단일광자 검출 결과와 이광자 동시검출 결과를 비교함으로써 본 효과가 명확한 이광자 양자 간섭임을 확인하였다. 이를 통해 그동안 직접적으로 접근할 수 없었던 이 현상의 양자적 성격을 최초로 검증하는 데 성공하였다.

또한 실험에서는 측정되지 않은 1016 nm 광자에 위상 φ를 인가할 경우, 검출된 632 nm 광자에서 간섭 변조가 2φ 항으로 나타나는 특성을 관측하였다. 이는 다광자 영역에서 나타나는 특유의 위상 반응으로, 향후 양자 위상계측 기술로의 응용 가능성을 시사한다.

이번 연구는 결맞음이 없는 양자광원 사이에서도 양자광학적 상호작용을 통해 결맞음이 유도될 수 있음을 실험적으로 보여줌으로써, 다광자 양자 간섭, 양자 계측, 그리고 얽힘 상태 생성 등 다양한 양자정보처리 기술로의 확장 가능성을 열었다. 특히 ‘유도 방출 없는 유도 결맞음’ 현상이 다광자 양자광학 영역에서도 성립하며 그 양자적 성격이 실험적으로 검증될 수 있음을 세계 최초로 입증했다는 점에서 중요한 의의를 지닌다.

DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adx2038