Hyperentanglement-enabled noise-resilient quantum communication over a 40 km intra-city fiber network

얽힘 기반 양자 통신은 양자 얽힘 상태의 광자쌍을 통신 참여자들에게 분배하여 수행하는 이론적으로 도청이 불가능한 통신 프로토콜이다. 그러나 기존의 양자 통신 방식은 양자 채널에 잡음이 존재하는 경우 얽힘의 품질이 저하되어, 보안이 보장된 양자 통신이 불가능해지는 한계가 존재하였다.

포항공과대학교 물리학과 김윤호 교수 연구팀은 이러한 한계점을 극복하고자, 두 개 이상의 자유도에서 얽힘이 존재하는 ‘초얽힘’ 양자 상태를 이용하여 잡음을 억제한 양자 통신을 대전 시내 40 km 길이의 실망에서 구현하였다 [Seo et al., Optica 13, 977 (2026)]. 연구팀은 주파수 및 시간-빈 초얽힘 양자 상태에 주파수 분할 모듈을 사용하여 주파수 상관관계가 있는 신호를 시간 상관관계가 있는 신호로 변환하였다. 이후 후선택 과정을 통해 상관관계가 없는 잡음을 효과적으로 억제함으로써, 기존 방식에 대비 신호 대 잡음비를 10배 이상 향상시킨 시간-빈 얽힘 분배를 구현하였다.

또한, 실험에서는 후선택 과정을 거친 양자 상태가 양자 통신의 보안성을 보장하는 핵심 지표인 CHSH 부등식을 위반함을 확인하였다. 이는 심한 잡음과 광손실로 인해 양자 통신이 불가능한 환경에서도 초얽힘 기반 주파수 분할 방식을 통해 양자 통신이 수행 가능함을 보인 것으로, 향후 백본 네트워크를 활용한 양자 통신 인프라 구축에 응용 가능성을 시사한다.

이번 연구는 초얽힘 양자 상태를 통해 양자 통신에서의 잡음을 억제할 수 있음을 보여줌으로써, 얽힘 기반 양자 키 분배, 양자 텔레포테이션, 얽힘 교환 등 다양한 양자 통신 기술로의 확장 가능성을 열었다. 특히 실험실 환경을 넘어 실제 도심 내 40 km 광섬유 실망에서 신호 대 잡음비의 향상을 직접 입증하였다는 점에서 중요한 의의를 지닌다.

관련 링크: https://doi.org/10.1364/OPTICA.576289