보안이 강화된 암호화 기술, 빛의 속도로 연산하는 컴퓨터 등 광학 컴퓨터 소자 상용화를 견인할 단서가 제시됐다. 기초과학연구원(IBS) 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.
* 중첩 원리 (Superposition principle)은 어떠한 시스템에서 동시에 두 개의 서로 다른 입력이 가해질 때 얻어지는 출력이 두 개의 입력을 따로 가했을 때의 출력의 합과 같다는 것이다. 중첩 원리가 적용된다면 선형 시스템이라 할 수 있고, 반대의 경우 비선형 시스템이 된다.
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.
* 3차 텐서: 텐서란 물리학에서 다양한 현상과 물리량을 설명하는데 사용되는 수학적 도구로서, 0차원 텐서는 스칼라, 1차원 텐서는 벡터, 2차원 텐서는 행렬, 3차원 이상의 텐서는 n차 텐서라고 한다. 스칼라와 벡터만으로 나타낼 수 없는 물리학적 현상을 수학적으로 정확하게 모델링하기 위한 유용한 도구로 활용된다.
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 산란 매질을 이용해 두 개의 입력 채널이 동시에 켜질 때만 작동하는 논리 회로인 ‘앤드(AND) 게이트’도 광학적으로 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.
연구 결과는 8월 1일(한국시간) 국제학술지 ‘네이처 피직스(Nature Physics, IF 19.684)’온라인판에 실렸다.
비선형 산란매질은 (a)와 같이 비선형 나노입자에 의해서 산란 및 비선형 변조가 이뤄져 일반적인 선형 행렬로는 그 응답을 특성화할 수 없었다. 비선형 응답을 측정하기 위하여 (b)와 같은 비선형 이차조화파 간섭계 시스템을 이용하였다.
(a)와 같이 SLM에 의해 산란매질에 입사하는 빛의 각도를 바꿔주며 이차조화파 변조된 신호만을 카메라로 기록하였다. 이때 빛의 각도가 서로 다른 입력채널이라고 정의한다. 입력채널 쌍의 입출력 응답을 (b)와 같이 기록하고 교차항의 응답을 추출한 후 재구성하여 (c)와 같은 3차 텐서를 얻는다. 알고리즘 연산을 위해 (d)와 같이 2차 행렬로 재구성하여 활용한다.
비선형 산란매질에 의해 산란 및 변조를 겪은 빛의 정보는 무작위하게 변화하여 (a)의 오른쪽 그림과 같이 원래의 정보를 알아보기 어렵다. 이는 광암호화라고 할 수 있다. 하지만 입출력 응답 특성을 알고 있으므로 역연산을 통해 무작위해 보이는 출력정보에서 (b)와 같이 원래의 정보를 도출해낼 수 있다. 이는 암호화된 정보를 복호화하는 것이라고 할 수 있다. 교차항을 포함하지 않는 선형 응답특성 만으로는 (c)와 같이 제대로 된 정보를 알아낼 수 없었다.
(a) 디지털 위상공액 방법을 이용하여 비선형 산란매질을 이용한 광 논리회로를 구현하였다. 교차항에 대한 전기장 신호의 위상공액(c)을 이용하여 두 입력채널이 동시에 켜졌을 때만 빛을 집속시킬 수 있는 AND게이트 (b)를 만들 수 있다. 비선형 입출력 응답을 모두 기록하고 있으므로 (d)와 같이 멀티채널 AND게이트 또한 구현가능하다.
■ 연구 추가 설명
① 논문/저널/저자
- Measuring the scattering tensor of a disordered nonlinear medium
- Nature Physics (2023)
- Jungho Moon, Ye-Chan Cho, Sungsam Kang, Mooseok Jang, and Wonshik Choi
② 연구내용 보충설명
- 3차 텐서로 정의된 전파특성을 통해 비선형 산란매질을 비선형 광암호화, 컴퓨팅 등에 활용할 수 있음을 보였다.
③ 연구 이야기
[연구 배경] 선형 산란매질은 선형 행렬을 통해 빛의 산란 경로를 특성화하고 광학연산자로 활용할 수 있음이 많이 연구되어왔지만, 비선형 산란매질에서는 이와 같은 빛의 전파 특성화가 불가능하다고 여겨졌다. 연구진이 가진 산란매질에 대한 연구에 대한 노하우를 비선형 산란매질에서 어떻게 활용할 수 있을까를 계속 고민해왔다.
[어려웠던 점] 비선형 산란매질에서 교차항을 포함하는 빛의 전파 특성을 어떻게 정의할 것인가에 대한 오랜 연구 및 토론이 필요했다. 또한 비선형 산란매질에 의해 산란 및 변조된 약한 이차조화파 전기장 신호를 수천 장 획득하여야 함으로, 매우 정교한 셋업 및 신호 탐색이 어려운 점이였다.
[성과 차별점] 본 연구는 비선형 산란매질에 의해 산란 및 변조되며 전파하는 이차조화파 전기장 신호를 많은 입출력 채널에 대해서 측정하고 재구성함으로써 비선형 산란매질을 전파해나가는 이차조화파의 전파 특성을 3차 텐서로 정의할 수 있음을 보였고, 이를 이용하여 비선형 산란매질이 광 암호화, 광 컴퓨팅 등에 사용가능한 광학 요소가 될 수 있음을 보였다.
[향후 연구계획] 이번 연구에서도 광 암호화 및 광 컴퓨팅에 대해 실제 광학 셋업에서 구현되는 것까지 보였지만, 좀 더 나아가 기계학습 분야 등에서 비선형 활성 함수로써 비선형 산란매질이 활용될 수 있는가 연구하고자 한다.
■ 연구진 이력사항
<최원식 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 부연구단장, 교신저자 >
1. 인적사항
○ 소 속 : IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단
고려대학교 물리학과
○ 전 화 : 02-3290-3118
○ e-mail : wonshik@korea.ac.kr
2. 학력
1993~1997 서울대학교 물리학과 학사
1997~1999 서울대학교 물리학과 석사
1999~2004 서울대학교 물리학과 박사
3. 경력사항
2004~2005.12 서울대학교 물리학과 연구원
2006.01~2009.08 Massachusetts Institute of Technology 연구원
2009.09~2012.08 고려대학교 이과대학 물리학과 조교수
2012.09~2017.08 고려대학교 이과대학 물리학과 부교수
2017.09~현재 고려대학교 이과대학 물리학과 교수
2016.07~현재 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 부연구단장
4. 수상실적
- 한국과학기술한림원 정회원 선정(2023)
- 국가연구개발 우수성과 100선 선정 (2020년)
- 한국광학회 학술대상 (2020년)
- Optica Fellow 선정 (2019년)
<문정호 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구교수, 제1저자>
1. 인적사항
○ 소 속 : IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단
고려대학교 물리학과
○ 전 화 : 02-3290-3118
○ e-mail : mooon936@gmail.com
2. 학력
2006~2012 고려대학교 물리학과 학사
2012~2021 고려대학교 물리학과 박사
3. 경력사항
2021~현재 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구교수
출처 : 기초과학연구원
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