빛의 속도로 연산하는 소자 구현 가능성도 확인 … Nature Physics 誌 게재
보안이 강화된 암호화 기술, 빛의 속도로 연산하는 컴퓨터 등 광학 컴퓨터 소자 상용화를 견인할 단서가 제시됐다.
기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 분자 분광학 및 동력학 연구단(단장 조민행) 최원식 부연구단장(고려대 물리학과 교수) 연구팀은 한국과학기술원(KAIST)과의 공동 연구를 통해 비선형 산란 매질 내부 빛의 전파 특성을 규명하고, 이를 기반으로 광학 컴퓨터 소자로 구현하는 데도 성공했다.
불투명한 유리나 피부 같은 산란 매질(빛의 경로가 틀어지는 매질)은 속을 들여다보기 어렵다. 빛의 경로가 시공간적으로 무작위로 변형되기 때문이다.
약 15년 전부터 산란 매질 내부의 물리학적 현상을 파악하기 위한 연구가 이뤄졌다. 현재는 ‘선형 중첩 원리’를 기반으로 입력 정보와 출력 정보의 관계를 선형 행렬로 표현‧연산하여 산란 매질 내 빛의 숨은 경로를 파악할 수 있게 됐다. 왜곡된 정보를 복원하여 불투명한 유리 뒤에 숨겨진 물체를 재구성하거나, 더 많은 빛을 전송할 수 있는 경로를 찾아낼 수 있게 된 것이다.
하지만 산란 매질이 입사하는 빛에 대해 비선형 응답을 발생시키면 선형 중첩 원리가 더 이상 적용되지 않고, 산란 매질 내부의 숨은 경로를 파악할 수 없다.
선형 행렬로 빛의 전파 특성을 나타낼 수 없기 때문이다. 입‧출력 정보 간의 관계를 실험적으로 측정하는 것 역시 어려워 비선형 산란 매질에서 빛의 전파 특성은 아직 명확하게 알려진 바가 없다.
연구진은 비선형 이차조화파(입사된 파동보다 진동수가 두 배 큰 파동)를 생성시키는 나노입자들로 구성된 비선형 산란 매질에서 빛의 전파 특성을 ‘3차 텐서’를 통해 표현할 수 있다는 것을 이론적으로 규명하고, 이를 실험적으로 측정하는 데 성공했다.
연구를 주도한 문정호 연구원은 “비선형 산란 매질에서 이차조화파의 전파 특성을 세계 최초로 측정한 것”이라며 “비선형 산란 매질을 통한 정보는 제어할 수 없다는 기존 통념을 깨고, 광학 연산자로 활용할 수 있다는 가능성도 제시했다”고 말했다.
우선 연구진은 비선형 산란 매질을 광학 암호화 소자로 사용할 수 있음을 입증했다. 비선형 산란 매질에 특정 이미지 정보를 입력하면, 출력되는 이차조화파 신호는 무작위적인 패턴을 보인다. 일련의 암호화 과정인 셈이다. 반대로, 이차조화파를 표현한 3차 텐서를 역으로 연산하면, 원래의 입력 정보를 찾아내는 복호화 과정도 가능하다. 선형 산란 매질을 이용한 기존 광학 암호화 방식보다 더 높은 보안성을 가진다는 장점이 있다.
또한, 연구팀은 비선형 산에 켜질 때만 작동하는 논리 회로인 ‘앤드(AND) 게이트’도 광학란 매질을 이용해 두 개의 입력 채널이 동시적으로 구현했다. 이렇게 구현한 광학 암호화 기술과 광학 논리 회로를 활용하면, 복수의 병렬 입력 채널에서 빛의 속도로 연산을 수행하는 초고속 소자를 구현할 수 있다.
최원식 부연구단장은 “비선형 산란 매질을 효과적인 광학 암호화와 광학 컴퓨팅 구성 요소로 활용할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다”며 “후속 연구에서는 기계학습 분야 등에 비선형 산란 매질 연구를 접목해 성능을 대폭 높인 차세대 컴퓨팅 기술 개발 단서도 찾아볼 계획”이라고 말했다.
이번 연구 결과는 지난 1일(한국시간) 국제학술지 ‘네이처 피직스(Nature Physics, IF 19.684)’온라인판에 실렸다.
