[김윤호교수 연구실] 정지된 광펄스 효과를 통한 두 광펄스의 원자 내 동시 포획

Caption: 정지된 광펄스 (SLP) 효과를 이용한 두 광펄스의 동시 포획.

[김윤호 교수 연구실] 정지된 광펄스 효과를 통한 두 광펄스의 원자 내 동시 포획

두 광자 사이의 자유로운 상호작용은 모든 양자정보처리 분야에서 가장 중요한 달성과제 중 하나이다. 그러나 광자는 전자기파로서의 특성으로 인해 진공 중에서는 서로 직접적인 상호작용을 하지 않는다. 이 때문에 두 광자 사이의 상호작용을 구현하기 위해서는 이를 매개하는 원자 매질이 필수적으로 요구된다. 이러한 시스템에서 두 광자는 서로 직접적으로 상호작용 하지는 않지만, 각자 같은 원자 매질과 강하게 상호작용하며 간접적으로 상호작용을 주고 받는다. 일반적으로 이러한 간접적 상호작용의 크기는 매우 작기 때문에 효율적인 상호작용을 위해서는 강한 비선형성의 구현이 필수적으로 요구된다. 

정지된 광펄스 (stationary light pulse; SLP) 효과는 원자 소자 내에서 광자가 0의 군속도를 가지며 포획되어 있는 시스템이다. 

이러한 시스템에서는 원자와 광자 사이의 긴 상호작용 시간이 강한 비선형성으로 이어지고, 이를 통해 두 광자 사이의 효율적인 상호작용을 구현할 수 있음이 알려져있다. 정지된 광펄스 시스템은 기존의 접근법에 비해 더 결정론적으로 양자 연산을 구현할 수 있고, 이로 인해 더 확장가능한 응용성을 지닌다는 장점이 있다.

김윤호 교수 연구실은 정지된 광펄스 효과의 위상 맞춤 조건을 이론적으로 분석하고, 이를 기반으로 극저온 루비듐 원자 내에서 두 광펄스의 동시 포획을 실험적으로 관측하는데 성공하였다. 이 연구 결과는 국제 저명 학술지인 Physics Review Letters 지에 2022년 8월 23일 게재되었다 (Phys. Rev. Lett. 129, 093601 (2022), 주저자: 통합과정 김유신 학생).

이 연구결과는 기존의 실험적 한계를 극복하여 광학공동 없이도 여러 개의 광펄스를 원자 내부에 포획할 수 있음을 실험적으로 확인한 결과이다. 또한 해당 연구결과에서는 정지된 광펄스 효과가 기존의 연구 결과들보다 더 강한 원자-광자 상호작용 크기를 가질 수 있음을 제시한다. 이러한 결과는 확장가능한 광자간 상호작용을 요구하는 양자 네트워크 등에 응용될 수 있을 것이라 전망된다.