빛으로 작동하는 '양자엔진'...서울대 연구팀 세계 첫 구현

박지우 기자

입력 : 2022-07-22 19:16:40

- 안경원 물리·천문학부 교수 연구팀, 네이처 포토닉스 논문

국내 연구진이 빛으로 동작하는 양자 엔진(양자 열기관·quantum heat engine)을 세계 최초로 구현했다. 양자정보처리 등에 활용할 길을 열었다.

< 초방사 열기관 구현을 위한 실험(초방사 엔진을 위한 광학적 설계) 모식도 /=서울대 제공. >

22일 과학기술정보통신부(과기정통부)에 따르면 안경원 서울대 물리·천문학부 교수가 이끄는 연구팀이 초방사(超放射, superradiance)를 활용한 양자 엔진을 실물로 구현하는 데 성공했다.

이번 연구는 과기부 개인기초연구사업(중견연구) 등의 지원으로 수행됐고 연구 결과는 광학 분야 유력 학술지 '네이처 포토닉스'(Nature Photonics)에 실렸다.

초방사는 양자역학적으로 질서정연하게 구성·행동하는 원자들이 집단적으로 빛을 강하게 방출하는 현상이다. 초방사 양자 엔진은 강하게 방출된 빛의 압력으로 작동한다.

엔진을 동작하려면 순간적으로 초방사 현상을 켜고 끌 수 있어야 하는데 지금까지는 그러한 제어가 불가능했다.

< 초방사 엔진의 특성 /=서울대 제공. >

과기부는 연구팀이 다수의 원자들을 초방사를 일으킬 수 있는 양자 중첩상태로 만들고 양자위상을 직접 제어하는 방식으로 연구를 진행했다고 설명했다. 이 경우 초방사 현상을 빠르게 켜고 끌 수 있다.

이번 연구성과는 빛으로 동작하는 초방사 양자 엔진을 실험적으로 구현한 첫 사례다.

초방사 양자 엔진은 비선형적으로 증가하는 출력과 열역학 법칙을 넘어서는 고효율로 일을 할 수 있어 향후 고성능 엔진 개발이나 광기반 역학장치 개발에 영향을 미칠 것으로 보인다.