[로이슈 전여송 기자] 국내 연구진이 원자와 빛의 상호작용을 하나의 수치로 계량화할 수 있는 ‘자기 그래프’ 이론을 개발했다.

28일 한국연구재단에 따르면 서울대 박남규·유선규 교수와 서울시립대 박현희 교수 연구팀은 원자와 빛의 결합 상태를 그래프로 표현하고, 약한 결합부터 매우 강한 결합까지 연속적으로 분석할 수 있는 수학적 방법을 제시했다.

원자와 빛이 에너지를 주고받는 현상은 양자컴퓨터와 광학 기술에 활용되는 원리다. 원자와 빛의 결합이 강해지는 초강결합·심층강결합 영역에서는 기존 근사법의 적용에 한계가 있어 결합 영역에 따라 서로 다른 계산법이 사용돼 왔다.

연구팀은 빛의 광자 수와 원자의 상태를 그래프의 점으로, 하나의 상태에서 다른 상태로 이동할 가능성과 빛 파동의 위상을 선의 연결 세기와 위상 정보로 표현했다.

분석 결과 가장 단순한 양자계에서도 두 종류의 점이 장거리 연결선으로 이어지는 ‘반무한 그래프’ 구조가 나타나는 것을 확인했다. 반무한 그래프는 한쪽에는 끝이 있지만 다른 방향으로는 무한히 이어지는 구조를 뜻한다.

연구팀은 그래프의 연결 세기와 위상 정보의 연결성을 분석하는 ‘자기 라플라시안 지표’를 도입했다. 이를 통해 약결합부터 심층강결합까지 서로 다른 결합 영역을 하나의 연속적인 수치로 구분했다.

또 서로 다른 크기의 부분 그래프를 각각 2만 번씩 무작위로 구성해 분석한 결과, 강한 원자·빛 결합에서 양자 상태가 변화하는 주요 원인이 ‘위상 좌절’과 관련된다는 점을 확인했다. 위상 좌절은 서로 다른 경로를 거친 파동의 위상이 맞지 않아 상쇄되는 현상을 의미한다.

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

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 혁신연구센터, 중견연구, 신진연구 사업 지원으로 수행됐으며 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 지난 26일 온라인 게재됐다.

전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr