한국연구재단, 원자-빛 상호작용 계량화한 '자기 그래프 이론' 소개

[충청뉴스 이성현 기자] 국내 연구진이 원자와 빛의 상호작용 속에 숨겨진 거대한 연결망 구조를 규명하고 이를 단일 수치로 파악할 수 있는 그래프 이론을 개발했다.

한국연구재단은 서울대 박남규·유선규 교수와 서울시립대 박현희 교수 연구팀이 원자-빛 상호작용을 하나의 숫자로 계량화할 수 있는 자기 그래프 이론을 개발했다고 28일 밝혔다.

기존에는 원자 하나와 빛의 상호작용을 다루는 양자 라비 모형에서 결합 세기가 강해지는 초강결합이나 심층강결합 영역에 진입할 경우 기존 근사법이 통하지 않아 구간마다 서로 다른 계산법을 써야 했다.

이에 연구팀은 복잡한 도시의 지하철 노선도처럼 빛의 광자 수와 원자 상태를 ‘점’으로, 상태 전이 가능성과 파동 위상을 ‘선’의 굵기와 색으로 변환했다.

그 결과 광자 수가 크게 다른 상태 사이에서도 장거리 전이가 일어나는 무수한 장거리 선 형태의 반무한·가중 자기 그래프 구조인 ‘플로케 라비 그래프’가 형성됨을 규명했다.

이어 도입한 ‘자기 라플라시안 지표’를 통해 약결합부터 심층강결합까지 전 구간의 변화를 별도의 근사 조건 없이 하나의 연속적인 수치로 구분하는 데 성공했다.

연구팀은 부분 그래프를 각각 2만 번씩 무작위로 구성해 정밀 분석을 진행했다.

분석 결과 결합이 강해질수록 닫힌 경로가 급증했으며, 이 중 약 절반에서 경로별 파동 위상이 서로 어긋나 신호가 상쇄되는 ‘위상 좌절’이 발생함을 최초로 밝혀냈다.

이는 강한 원자-빛 상호작용 시 양자상태가 크게 변동하는 근본적 원인이 위상 좌절에 있음을 증명한 결과다.

20여 년간 나노광학 및 광자 컴퓨팅을 연구해 온 연구팀은 기존 고전 광자 회로가 연산 규모 확장 시 회로 복잡도와 잡음이 증가하는 한계를 극복하고자 양자 라비 모형에 게재 이론 및 위상물리학을 결합한 다학제적 접근을 시도했다.

박남규 교수는 “가장 단순한 양자 현상 내부에도 방대한 연결 구조가 숨어 있음을 밝혔다”고 설명하며 “향후 하나의 원자와 빛의 상호작용을 제어하는 방식으로 인공신경망을 구현하는 연구를 이어갈 예정”이라고 설명했다.

이번 성과는 물리적 소자를 계속 추가해야 했던 기존 광자 회로와 달리, 단일 양자계 내의 방대한 상태 공간을 시냅스 가중치처럼 활용하는 차세대 양자 광자 신경망 및 광컴퓨터 개발을 가속화할 것으로 전망된다.