40년 전, 파인만은 복잡한 양자 시스템의 작동을 보다 단순하고 실현 가능한 다른 시스템을 통해 모사(simulation)할 수 있다는 아이디어를 제안하였다. 이 개념은 원자, 트랩 이온(trapped ions), 핵자기 공명(nuclear magnetic resonance)과 같은 비양자(non-quantum) 시스템에서의 물리적 또는 화학적 과정을 활용하여, 양자역학의 물리적 행동을 모사하는 이른바 ‘양자 에뮬레이터(quantum emulator)’의 탄생으로 이어졌다.

광자 양자 에뮬레이터(photonic quantum emulator)는 복잡한 양자 시스템의 행동을 모사하기 위해 광학적 방법을 활용하는 시스템을 의미한다. 한 예로, 광학에서의 근축(paraxial) 파동 방정식과 양자역학에서의 슈뢰딩거 방정식 사이의 수학적 유사성을 활용하여, 빛을 조절함으로써 양자 현상을 모사하는 것이다. 최근에는 시공간 구조광(spatiotemporally structured light)을 조작하는 기술이 발전하면서, 이를 이용한 양자 에뮬레이터 개발이 가능해졌다.

Andy Chong 교수는 상해이공대학과의 협업을 통해 구면 대칭(spherical symmetry)을 가진 새로운 형태의 시공간 구조광을 생성하였다. 이 빛은 슈뢰딩거 방정식의 해와 동일한 파동함수 분포를 가지며, 두 개의 제어 가능한 양자수를 포함한다. 빛의 형상은 원자 내 전자 궤도함수(orbital)인 구면 조화 함수(spherical harmonics)의 형상을 띤다. 또한, 전자 궤도함수가 안정적인 것처럼, 이 시공간 구조광은 국소화(localized)되어 변형이 있더라도 다시 원래 모양의 전자 궤도함수로 돌아간다. 이러한 양자 에뮬레이터는 양자 물리학 연구에 새로운 통찰을 제공할 수 있으며, 빛-물질 상호작용 및 양자 광학 연구에 새로운 응용 가능성을 열어줄 수 있다.

본 결과는 Andy Chong 교수가 교신저자로 ‘Spatiotemporal photonic emulator of potential-free Schr?dinger equation‘ 의 제목으로 국제학술지 eLight (IF=32.1) 에 게재되었다.

논문링크: https://link.springer.com/article/10.1186/s43593-025-00096-8

본 연구는 과학기술정보통신부의 한국연구재단의 중견연구자사업, 교육부의 재원으로 한국연구재단 대학기초연구소지원사업(G-LAMP)의 지원을 받았다.