환경운동가들을 분명히 기쁘게 하고 물리 수업을 기억하는 사람들을 혼란스럽게 할 움직임으로, 연구자들은 평범한 햇빛이 양자 얽힘을 생성할 수 있음을 입증했다. 이는 이전에 잘 조정된 레이저의 일관되고 집중된 노력이 필요하다고 여겨졌던 현상이다. 정밀하고 에너지를 많이 소비하는 레이저를 사용하는 대신 그냥 블라인드를 열면 되는데 왜 레이저를 쓰겠는가?

이 발견은 Optica 저널에 게재되었으며, 대역폭 차이를 고려하면 햇빛이 레이저 기반 기술과 비슷한 얽힘을 생성할 수 있음을 보여준다. 이 작업은 오타와 대학의 로버트 보이드 그룹과 독일 막스 플랑크 광과학 연구소(MPL)의 하니에 파타히 팀 간의 협력이다. 국제적 협력도 태양의 힘을 활용하는 데 필요한 모양이다.

"양자 얽힘은 보안 통신, 초정밀 센싱, 고성능 컴퓨팅과 같은 응용 분야에 중요합니다,"라고 논문의 제1저자이자 오타와 대학의 최근 졸업생인 청 리가 말했다. "우리의 연구는 풍부한 자연 광원이 양자 얽힘에 사용될 수 있음을 보여주며, 더 에너지 효율적이고 접근 가능한 양자 기술의 가능성을 엽니다."

다시 말해, 미래의 양자 컴퓨터는 햇볕에 타는 것과 같은 것으로 구동될지도 모른다. 리는 또한 "이 기술은 언젠가 위성이 우주에 이미 풍부한 햇빛을 사용하여 보안 암호화 키를 생성할 수 있게 하여, 탑재 레이저와 많은 지원 하드웨어의 필요성을 줄일 수 있습니다"라고 언급했다. 레이저를 우주로 가져가는 대신 태양이 바로 거기서 제 역할을 하고 있는데 왜 가져가겠는가?

연구팀은 양자 얽힘이 레이저처럼 파동이 동기화되고 예측 가능한 일관된 빛을 필요로 한다는 오랜 가정에 도전했다. 보이드 팀의 이전 연구는 이미 비간섭 광원인 LED가 편광 얽힌 광자를 생성할 수 있음을 보여주었다. 이제 그들은 훨씬 더 혼란스럽고 모든 방향으로 퍼지며 무지개색을 가진 햇빛으로 업그레이드했다.

이 혼란을 제어하기 위해 연구자들은 펌프 빔이 비선형 결정에 들어가 광자를 얽힌 쌍으로 분할하는 자발적 파라메트릭 하향 변환(SPDC)을 사용했다. 레이저 펌프 대신 강하게 편광된 햇빛을 사용했는데, 이는 공간과 시간에서 매우 비간섭적이지만 일관된 방향으로 진동했다. "우리는 실험 설정을 설계하여 다른 색상과 전파 방향에 의해 도입된 차이가 광자의 편광에 영향을 미치지 않도록 했습니다,"라고 리는 설명했다. "우리의 이론이 예측하듯이, 얽힘이 편광에만 존재한다면, 그것은 펌프의 진동 방향의 질서에만 의존하고 방향이나 색상에는 의존하지 않아야 합니다."

하지만 문제가 있었다: 비선형 결정은 약 1밀리미터에 불과하여 햇빛을 집중시킬 필요가 있었다. MPL의 파타히 팀은 가정용 창문 크기의 프레넬 렌즈를 사용하여 햇빛을 인간 머리카락 정도의 광섬유로 모은 다음 작은 결정으로 보내는 전유리 태양 집광기를 구축했다. 거대한 돋보기와 같은 설정이 '양자 광학'을 의미하는 것처럼 보이기 때문이다.

MPL에서의 야외 실험은 이론을 확인했다: 양자 상태 단층 촬영은 햇빛 생성 얽힘이 완벽하게 얽힌 상태와 약 94% 유사함을 보여주었고, 광자는 벨의 부등식을 위반하여 진정으로 얽혀 있음을 증명했으며 단지 고전적인 오해가 아님을 입증했다.

연구팀은 현재 밝기를 높이고 얽힘 품질을 개선하기 위해 노력하고 있으며, 시스템을 실험실 밖으로 가져갈 계획이다. 그들은 또한 이 접근 방식이 사파 혼합과 같은 다른 비선형 광학 기술과도 작동할 수 있다고 제안하며, 양자 포토닉스에서 새로운 문을 열 수 있다고 말한다.

물론 과학계는 의구심을 가졌다. "이 프로젝트가 시작된 이후로 우리의 아이디어는 반복적인 의심과 반발에 직면했습니다,"라고 리는 말했다. "일부 세계적으로 유명한 연구자들은 심지어 햇빛이 양자 얽힘을 생성할 수 없다고 말했습니다. 하지만 우리는 그들이 틀렸다는 것을 증명했습니다."

이 연구는 양자 기술이 더 이상 값비싸고 복잡한 레이저 시스템에 의존할 필요가 없을 수도 있음을 시사한다. 태양이 계속 빛나는 한, 우리는 양자 컴퓨터와 통신을 위한 풍부하고 재생 가능한 광원을 가지고 있는 것이다. 그리고 아마도 미래에는 양자 얽힘을 위해 창문을 여는 것이 레이저를 켜는 것보다 더 흔한 일이 될지도 모른다.