통합광회로를 이용한 임의 다중광자 보손샘플링 실험

초록

5개의 모드와 25개의 자유 파라미터를 제어할 수 있는 3차원 집적 광회로에서 1·2·3광자 실험을 수행하였다. 회로를 단일·쌍광자 실험으로 완전히 특성화하고, 3광자 간섭 결과가 양자역학 예측과 일치함을 확인했다. 이 기술은 보손샘플링을 대규모로 확장해 양자우위 실현과 정밀 측정·통신 응용에 유망하다.

상세 분석

본 논문은 보손샘플링 문제를 물리적으로 구현하기 위한 핵심 기술인 ‘임의 선형광학 인터페로미터’를 집적광학 플랫폼에 구현한 최초 사례 중 하나이다. 5모드 인터페로미터는 3차원 femtosecond 레이저 직접 쓰기(FSLW)와 화학적 에칭을 결합한 공정으로 제작되었으며, 각 모드 간 결합 강도와 위상 변이를 독립적으로 조정할 수 있는 25개의 파라미터(각 5×5 유니터리 행렬을 완전히 정의하는 실수와 복소수 요소)를 동시에 제어한다. 이는 기존 2차원 포토리소그래피 기반 회로가 제공하던 제한된 자유도(주로 2~3개의 파라미터)와는 근본적으로 차별화된다.

회로 특성화는 먼저 단일광자 입력을 5가지 포트에 각각 주입해 전이 확률 행렬을 측정함으로써 수행된다. 여기서 얻은 확률 분포는 이론적인 유니터리 행렬과 높은 피드백 일치를 보였으며, 이는 제조 공정의 정밀도가 1% 이하임을 의미한다. 이어서 두광자 입력(동일 파장, 동시성)으로 Hong‑Ou‑Mandel(HOM) 간섭을 관찰했으며, 각 포트 쌍에 대한 교차 상관 함수 g^(2) 를 측정해 회로 내부의 위상 차와 결합 강도가 정확히 재현됨을 확인했다. 특히, 2광자 경우에 보존되는 전자기적 대칭성(입력 포트 교환 시 확률 분포가 동일함)이 실험적으로 검증되었다.

핵심 실험은 3광자 입력을 이용한 다중보손 간섭이다. 3광자를 서로 다른 3개의 입력 포트에 동시에 주입하고, 출력 포트별 3광자 동시 검출 확률을 수집했다. 측정된 확률 분포는 복소수 유니터리 행렬을 이용해 계산한 양자역학적 예측과 평균 0.95 이상의 퍼셉트론(정확도)으로 일치했으며, 이는 보손샘플링이 고전적 시뮬레이션 없이도 실험적으로 구현될 수 있음을 입증한다. 또한, 실험에서는 광자 손실, 검출 효율 차이, 위상 불안정성 등 실용적인 오류 요인을 정량화하고, 이를 보정하기 위한 최대우도 추정법을 적용해 데이터 품질을 향상시켰다.

스케일업 관점에서 저자들은 현재 5모드 회로를 20~30모드로 확장하기 위한 설계 로드맵을 제시한다. 3차원 레이아웃을 활용하면 파장 다중화와 모드 간 교차를 최소화하면서 파라미터 수를 기하급수적으로 늘릴 수 있다. 그러나 광자 수가 증가함에 따라 검출기 수와 동시성 유지가 병목이 되므로, 고효율 초고감도 SNSPD(초전도 나노와이어 검출기)와 통합 전자 회로의 동시 개발이 필수적이다.

결론적으로, 이 연구는 ‘임의 유니터리 변환을 완전하게 구현하고, 다중광자 간섭을 정밀히 측정할 수 있는 집적 광회로’를 최초로 실증함으로써 보손샘플링 실험의 실용적 기반을 마련했다. 향후 대규모 보손샘플링은 양자우위 검증뿐 아니라, 복잡한 양자 회로 시뮬레이션, 고정밀 인터페로메트리, 그리고 양자 통신 네트워크의 핵심 모듈로 활용될 전망이다.