하버드 과학자들이 양자 정보의 처리 및 전송 방식을 혁신할 수 있는 메타표면 개발에 성공하며 양자 컴퓨팅 분야에서 중요한 돌파구를 마련했다.
하버드 존 A. 폴슨 공과대학 페데리코 카파소 교수팀은 나노미터 크기의 빛 제어 패턴이 새겨진 평면 장치인 메타표면을 특별히 설계해, 기존의 부피가 큰 양자 광학 장비를 대체할 수 있는 초박형 솔루션을 구현했다. 이 연구 결과는 2025년 7월 24일자 Science에 '일반화된 홍-우-만델 간섭을 위한 메타표면 양자 그래프(Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference)'라는 제목으로 게재됐다.
논문의 제1저자인 대학원생 케롤로스 M.A. 유세프는 "확장성 문제 해결에 있어 큰 기술적 이점을 제시하고 있다"며, "이제 전체 광학 시스템을 매우 안정적이고 견고한 단일 메타표면으로 소형화할 수 있다"고 설명했다.
기존 양자 광자 시스템은 렌즈, 거울, 빔 스플리터 등 복잡한 네트워크를 통해 광자를 조작하고 양자 컴퓨팅에 필수적인 얽힘 상태를 만든다. 하지만 부품이 늘어날수록 시스템은 커지고 복잡해져 실용적 양자 컴퓨터 구현이 어려웠다. 하버드 연구팀의 혁신은 이 모든 부품을 파장 이하 크기의 소자들이 배열된 평면 구조 하나로 통합해, 빛을 정밀하게 제어할 수 있도록 했다.
핵심 기술은 그래프 이론(점과 선으로 연결 구조를 표현하는 수학 분야)을 메타표면 설계에 적용한 것이다. 이를 통해 광자의 밝기, 위상, 편광 등 다양한 특성을 제어할 수 있게 되었으며, 광자 간 간섭 현상을 시각적으로 맵핑하고 실험 결과를 예측할 수 있어 복잡한 양자 상태 설계가 훨씬 직관적으로 바뀌었다.
프로젝트에 참여한 연구원 닐 싱클레어는 "그래프 접근법을 통해 메타표면 설계와 광학 양자 상태가 동전의 양면처럼 연결된다"고 설명했다.
이렇게 탄생한 메타표면은 기존 시스템 대비 여러 장점을 지닌다. 정밀한 정렬이 필요 없고, 환경 변화에 강하며, 표준 반도체 공정으로 제작 가능하고, 광 손실도 최소화해 양자 정보의 무결성을 유지할 수 있다.
양자 컴퓨팅을 넘어, 이 기술은 양자 센싱, 기초 과학 연구를 위한 '랩 온 어 칩' 구현 등 다양한 분야로 확장될 수 있다. 이번 연구는 실용적 상온 양자 컴퓨터 및 네트워크 실현을 위한 중요한 진전으로 평가받는다.
이번 연구는 미 공군과학연구소의 지원을 받아 하버드 나노스케일 시스템 센터에서 진행됐으며, 마르코 론차르 교수의 양자 광학 및 집적 광자 연구팀과의 협업이 큰 역할을 했다.