예루살렘, 2025년 4월 7일 (TPS-IL) — 양자 역학 및 초고속 광학 분야의 획기적인 발전으로 이스라엘 과학자들이 고속 컴퓨팅 및 통신 기술에 혁명을 일으킬 수 있는 새로운 기술을 공개했습니다.
이 연구는 강력한 레이저 펄스가 물질의 근본적인 특성을 아토초(빛 자체가 수소 원자의 너비만을 통과하는 매우 짧은 시간 단위) 내에서 어떻게 변화시킬 수 있는지를 보여줍니다.
연구를 주도한 와이즈만 연구소 복합 시스템 물리학과의 니릿 두도비치 교수는 “물질 내에서 에너지 준위 사이의 개별 전자 ‘여정’을 추적하는 방법을 알게 되면, 빛과 그 효과에 대해 얻은 지식을 사용하여 수백 또는 수십 아토초 내에 물질의 특성을 의도적이고 정밀하게 변경할 수 있습니다.”라고 말했습니다.
그녀는 “이 능력을 바탕으로 생산될 수 있는 가장 빠른 프로세서는 정보가 전송되거나 처리되는 속도를 몇 배나 가속화할 수 있을 것입니다.”라고 설명했습니다.
동료 검토를 거쳐 Nature Photonics 저널에 발표된 이 연구는 강렬한 레이저 펄스가 물질의 행동을 빠르게 변화시켜 도체에서 절연체로 바꾸거나 투명도를 변경할 수 있다는 획기적인 발견에 초점을 맞추고 있습니다. 이러한 변환은 이론적으로는 이해되었지만, 관련된 극단적인 시간 척도로 인해 실시간으로 포착하는 것은 엄청난 도전이었습니다.
이 장애물을 극복하기 위해 두도비치 팀은 새로운 이중 레이저 기술을 개발했습니다. 대학원생인 오메르 켄들러, 첸 모, 노아 야페는 정밀하게 타이밍이 맞춰진 두 개의 레이저 빔을 사용하는 이 방법의 설계에 중요한 역할을 했습니다. 상대적으로 긴 펄스로 구성된 첫 번째 빔은 물질과 상호 작용하여 원하는 변화를 유도했습니다. 동시에 초단 아토초 펄스로 구성된 두 번째 빔은 고속 카메라처럼 작동하여 변형된 물질을 통과하는 빛의 지연을 포착했습니다. 이 빔들의 데이터를 결합하고 결과 간섭 패턴을 분석함으로써 팀은 전례 없는 정밀도로 물질의 변화를 재구성할 수 있었습니다.
두도비치는 “이 방법은 전자를 위한 내비게이션 앱과 같습니다.”라고 설명했습니다. “Waze와 같은 앱이 이동 시간을 추정하는 것처럼, 우리의 방법은 빛이 얼마나 지연되었는지를 분석하여 물질을 통한 전자의 ‘이동 계획’을 재구성합니다. 이를 통해 우리는 물질의 에너지 준위가 빛에 어떻게 반응했는지 알게 됩니다.”
물질을 통한 전자의 여정을 추적하고 물질의 에너지 준위가 어떻게 이동하는지 관찰하는 능력은 양자 역학 분야에 엄청난 새로운 가능성을 열어줍니다. 두도비치 팀은 강렬한 레이저 펄스가 이러한 에너지 준위를 실시간으로 분할, 병합 또는 재배열할 수 있음을 보여주었습니다. 이 돌파구는 단순한 관찰이 아니라 양자 속도로 정밀하게 물질의 물리적 상태를 제어할 수 있는 도구를 제공합니다.
이 연구의 함의는 실험실을 훨씬 넘어섭니다. 물질 특성의 초고속 변화를 조작하고 모니터링하는 능력은 차세대 프로세서 및 통신 기술 개발에 심오한 응용 가능성을 가지고 있습니다. 두도비치는 “이러한 발견은 정보가 전송되거나 처리되는 속도를 몇 배나 가속화할 수 있는 빠른 프로세서 개발로 이어질 수 있습니다.”라고 강조했습니다.
이 돌파구는 현재 기술의 능력을 훨씬 뛰어넘는 속도로 작동하는 프로세서의 생성으로 이어질 수 있습니다. 물질의 양자 상태를 조작하기 위해 전기가 아닌 빛을 사용함으로써, 이러한 프로세서는 광학 또는 심지어 아토초 속도로 데이터를 처리하여 컴퓨팅 성능과 에너지 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
컴퓨팅 외에도 이 새로운 기술은 고속 통신 및 양자 장치 개발에 유망합니다. 이러한 미세한 규모에서 물질의 굴절률을 조작하는 능력은 현재 광섬유 기술의 능력을 훨씬 능가하는 광 스위치 및 변조기 생성으로 이어질 수 있습니다.
