지난 20세기가 양자역학의 시대였다면, 바야흐로 21세기는 양자광학의 시대라 할 수 있다. 양자광학은 빛과 물질의 상호작용을 다루는 근본 이론이며, 또한 양자인터넷과 양자컴퓨터를 구현하는 다양한 양자기술의 가장 기초 이론이다. 이 책은 양자광학에 관심 있는 모든 학생들에게 좋은 출발점으로, 탁월한 설명과 적절한 난이도의 연습문제, 그리고 참고문헌을 제공한다.

1. 양자광학의 범위와 의의

양자광학은 빛과 물질의 상호작용을 양자역학적으로 다루는 학문으로, 결맞음과 얽힘 같은 핵심 현상을 실험적으로 구현하고 응용하는 기반을 제공한다. 이 교재는 공진기 단일·다중 모드 장의 양자화와 양자 위상, 결맞은 상태 등 기초를 체계적으로 다루며 학부 고학년과 대학원 초·중급 학습자를 대상으로 설계됐다. 역사적 맥락에서 플랑크와 아인슈타인, 디랙, 글로버 등의 공헌을 짚고 레이저, SPDC, 압착광, 공진기 QED, 이온 덫으로 이어지는 발전을 정리한다. 풍부한 연습문제와 참고문헌, 더 읽을거리를 통해 자율 학습과 강의 운영 모두에 적합하도록 구성됐다. 결과적으로 양자컴퓨팅, 양자암호, 양자통신 같은 차세대 기술을 이해하는 출발점이 된다.

2. 핵심 이론과 실험 도구

장 양자화에서는 단일·다중 모드, 직각 연산자, 열적 장, 진공 요동과 영점에너지, 양자 위상을 다루며, 결맞은 상태 장에서는 변위 연산자, 최소 불확정성, 위상공간 묘사와 위그너 함수, 홀짝성 연산자를 연결한다. 원자–장 상호작용은 라비 모델과 제인스‑커밍스 모형을 중심으로 고전장과 양자장과의 결합, 분산적 상호작용, 슈미트 분해와 폰 노이만 엔트로피까지 확장한다. 빛살가르개와 간섭계 장에서는 단일 광자 간섭과 SU(2) 형식화, 임의 수 상태 입력의 출력 해석, 상호작용 없는 측정 등 정밀 간섭 측정을 설명한다. 비고전적 빛 단원은 압착광 생성·검출, 반뭉침, 고양이 상태, 비가우스 상태 공학 등 저잡음·고정보 광원을 다룬다. 소산과 결어긋남에서는 손실의 가상 빛살가르개 모형화, 세 준위 동역학, 결잃은 상태에서의 결맞음 생성까지 포함해 열린계 거동을 정량화한다.

3. 검증, 응용, 그리고 2판의 확장

양자역학의 광학적 검증 파트는 SPDC 광원, HOM 간섭, 양자 지우개, 벨 부등식 위반, 프랑손 실험 등을 통해 비국소성과 간섭의 본질을 실험적으로 점검한다. 공진기 QED와 이온 덫 장치는 리드버그 원자와 공진기 결합, JC 모형의 실험 구현, 얽힘 생성, QND 계측, 포획 이온 기반 게이트로 양자상태 제어와 판독을 제시한다. 응용 파트는 신호불가·복제불가 정리, 하이젠베르크 한계급 간섭계, 양자 원격전송, QKD(BB84, B92, Ekert), QRNG, 광학적 양자 게이트, 결어긋남과 오류 보정을 연결한다. 2판에서는 양자 위상 연산자 보강, 위그너–홀짝성 연계 심화, SU(2) 형식 확장, 가우스/비가우스 구분과 광자 수준 상태 가공, 손실 모형화 재작성, N00N 상태와 홀짝성 계측, QRNG 항목 추가 등 최신 내용을 대폭 반영했다. 전반적으로 이론의 일관된 수학적 틀과 대표 실험을 짝지어, 학습자가 현대 양자광학과 양자정보의 교차 영역을 실질적으로 익히도록 안내한다.

“양자기술은 연구실에서 상업 영역으로 빠르게 이동하고 있다. 과학자와 공학자는 양자역학이 실제 응용에 어떤 변화를 가져오는지 이해하기 위해 새로운 언어를 배우는 중이다. 내가 이 책을 사랑하는 이유는 수학을 넘어 직관적이면서도 비직관적인 과학의 양 측면을 균형 있게 강조해, 양자과학에서 양자기술로의 전환을 이해하는 데 탄탄한 기초를 제공하기 때문이다.”
-마일스 파짓(Miles Padgett) / 영국 왕립학회 회원, 영국 글래스고 대학교 교수

“양자역학의 근본적 측면에 대한 광학적 검증, 하이젠베르크 한계 측정, 양자 게이트, 결맞음과 같은 핵심 주제를 폭넓게 다루면서도 심오한 개념을 놀라울 정도로 간결하게 설명한다. 21세기의 새로운 양자 혁명에 관심 있는 사람이라면 누구나 책장에 꽂아두어야 할 책이다.”
-기리쉬 아가왈(Girish S. Agarwal) / 영국 왕립학회 회원, 미국 텍사스 A&M 대학교 교수

크리스토퍼 C. 게리(Christopher C. Gerry)

뉴욕 시립대학교 레만 칼리지(Lehman College)의 물리학과 교수다. 양자광학에 군론 기법을 처음 도입한 학자 중 한 명으로, 이 분야에서 매우 유명한 학자이자 교육자다. 고학년 학생과 학자들, 그리고 더 일반적인 대중을 대상으로 하는 유명한 책들을 저술했다.

피터 L. 나이트(Peter L. Knight)

영국 왕립학회(Royal Society) 회원이자 런던 임페리얼 칼리지(Imperial College London)의 명예교수로, 영국 물리학회(IOP, Institute of Physics)의 전 회장, 미국 광학회(OSA, Optical Society of America) 회장(2004년), 영국 국립 양자기술 프로그램 전략 자문위원회(UK National Quantum Technology Programme Strategy Advisory Board) 회장, 국립물리연구소(National Physical Laboratory)의 양자측정연구소(Quantum Metrology Institute) 소장을 역임했다. 양자기술과 양자광학을 중점적으로 연구했으며, 토마스 영 메달(Thomas Young Medal), 영국 물리학회의 글레이즈브룩 메달(Glazebrook Medal), 미국 광학회의 프레데릭 아이브스 메달(Frederic Ives Medal)과 허버트 월터 상(Herbert Walther Award), 왕립학회(Royal Society)의 로열 메달(Royal Medal), 영국 공학기술학회(Institute of Engineering and Technology)의 패러데이 메달(Faraday Medal) 등 유명한 상을 다수 수상했다.

이 책의 초판은 2005년에 출간됐는데, 광자장의 본성과 근본적인 수준에서 개념과 아이디어에 집중하여 원자와 빛의 상호작용에 관심 있는 학생들이 이해할 수 있는 교재가 되기를 의도했다. 이 분야는 그때 막 시작 단계였고, 지난 20년간 빛의 양자적 본성과 얽힘 등에서 중요한 통찰과 함께 크게 도약했다. 2022년 노벨 물리학상이 양자광학적 얽힘에 대한 업적으로 알랭 아스페(Alain Aspect), 존 클라우저(John Clauser), 안톤 차일링거(Anton Zeilinger)에게 주어진 것은 이 분야가 현대물리학에서 계속해서 핵심적인 역할을 수행한다는 것을 강조한다. 이 책에서 필자가 다루는 양자광학은 이제 많은 대학교에서 일부의 대학교 고학년 학생과, 그보다 훨씬 더 많은 대학원생을 위한 강의로 개설된다. 이 교재는 양자역학 수업을 이수한 양자광학 수강생을 위해 설계됐다. 하지만 슈미트 분해와 같이 이전에 보지 못했을 수도 있겠지만 얽힘을 설명하기에 쓸모 있는 핵심 내용과 양자 측정 이론의 핵심 아이디어에 대해서도 다룬다.

이 책에서는 양자화된 전자기장에 대해 계속해서 엄청나게 강조한다. 초판과 마찬가지로, 이 책의 주제는 공진기의 단일모드 장 양자화, 다중 모드 장 양자화, 양자 위상, 결맞은 상태, 위상공간의 준확률적 분포, 원자-장 상호작용, 제인스-커밍스 모형, 양자 결맞음 이론, 빛살가르개와 간섭계, 압착상태를 비롯한 비고전적 장 상태, 하향변환에서 생성된 얽힌 광자를 사용한 국소적 실재론의 시험, 공진기 양자전기역학의 실험적 구현, 이온 포획, 결어긋남, 양자정보처리에의 응용, 특히 양자 암호에 대한 응용을 소개하는 것들을 포함한다.

필자는 교재의 많은 부분을 갱신했으며, 2장에서는 양자 위상 연산자, 3장에서는 광자 수 홀짝성 연산자와 위그너 함수 사이의 관계에 대한 자세한 논의, 6장에서는 빛살가르개와 간섭계에 대한 설명을 대폭 확장하여 임의로 주어진 수 상태 입력에 대해 빛살가르개의 출력 상태를 구하는 방법을 자세히 다루는 등, 새로운 절을 추가했다. 이 장은 또한 빛살가르개와 간섭계의 설명에 대한 슈윙거 구현에서 SU(2)(각운동량) 형식체계를 사용한 논의도 포함한다. 이 장의 연습문제들은 대폭 개정됐다. 7장에서는 가우스 상태와 비가우스 상태의 구분, 그 구분의 중요성에 대한 설명을 추가했고, 짝 결맞음 상태라고 하는 두 모드 비가우스 상태의 특정한 사례에 관한 절을 추가했다. 빛살가르개의 얽힘 생성에 관한 절과 가우스 상태에 광자 수준 작용을 통한 양자상태 조작에 관한 절도 추가했다.

8장에서는 가상의 빛살가르개를 사용해 손실을 모형화하는 절을 추가했는데, 여기서는 이 기법을 수 상태에 어떻게 적용할 수 있는지 보여준다. 결어긋남에 관한 절은 이 관점에서 새로 작성했다. 11장에서는 신호불가 정리와 복제불가 정리에 관한 절을 추가했다. 또한 압착된 진공상태가 결맞은 상태와 섞여서 N00N 상태라고 하는 중첩상태를 생성하는 양자광학적 간섭계 실험에 관한 절도 추가했다. 결맞은 광을 사용한 간섭계 실험에서 광자 수 홀짝성을 관측가능량으로 사용하는 것에 관한 절도 추가했다. 양자 난수 생성(QRNG, quantum random number generation)에 관한 절에서는 난수 생성을 위해 약하게 만든 레이저 빛에 대한 광자 수 홀짝성 연산자의 측정과 이 아이디어에 연관되어 수행된 실험에 관한 논의를 추가했다.

필자는 양자광학에 집중하고, 양자정보처리로 확장해서 엄청나게 많이 다루려는 유혹에는 저항하기로 결정했는데, 이 분야는 따로 발전했기에, 탁월한 전문 서적에서 잘 다룬다. 이론가로서 필자는 실험을 자세히 다루는 것이 부적절할 수 있고, 기초 이론적인 아이디어에 집중하는 편이 더 좋다고 느꼈다.

이 책은 많은 연습문제, 읽을거리에 대한 추천, 학생들이 읽어보면 유익할 것이라고 생각하는 핵심적인 논문에 대한 포괄적인 참고문헌을 포함한다. 2판을 작업하면서 전 세계에 있는 동료들로부터 받은 의견은 모두 가치를 따질 수 없이 귀중하며, 이 교재가 현시대의 물리학에 있어 두근거리는 부분에 대한 유용한 안내서로 계속 존재하기를 바란다.

남기환

중앙대학교 물리학과에서 입자물리학 석사를 받았으며, 지스트, 카이스트를 거쳐 현재는 대전의 광통신 모듈 제조업체에서 연구원으로 재직 중이다.

가장 먼저 말해야 할 사실이 있다면, 이 책은 좋은 양자광학 교재라는 것이다. 이 책은 양자광학에 관심 있는 학생들에게 좋은 출발점이 될 뿐만 아니라, 수업 교재로 쓰기에도 적절한 난이도와 연습문제를 갖추고 있다.

양자광학은 빛과 물질의 상호작용을 다루는 가장 근본적인 물리 이론인 동시에, 다양한 양자현상을 실증하고 응용하여 새로운 기술과 장치를 개발할 수 있게 해주는 실용 학문이기도 하다. 양자광학을 통해 양자역학의 가장 중요한 현상인 중첩과 얽힘을 손쉽게 구현하여 실험할 수 있었고, 이로부터 양자 키 분배나 양자암호 같은 양자기술을 개발할 수 있었다. 전 세계에서 경쟁적으로 개발하는 양자컴퓨터의 구현 방법 중에는 광자를 사용하거나, 광자와 원자의 상호작용을 사용하는 방식이 있는데 이를 연구하기 위해서는 반드시 양자광학에 대한 튼튼한 기초 지식과 깊이 있는 이해가 필요하다.

간단히 설명하자면, 양자광학은 광선으로 빛을 다루는 기하광학, 파동으로 빛을 다루는 고전 전자기학에 이어서 입자로 빛을 다루는 광학이다. 여기서 말하는 입자는 양자역학적 관점에서의 입자로, 광자는 입자의 특성인 양자화와 파동의 특성인 간섭과 중첩을 모두 보여준다. 이런 특성은 곧 양자역학을 공학적으로 응용하는 다양한 기술에 적용되어 고전적인 정보처리 기술을 초월하는 압도적 성능의 양자컴퓨터를 개발하는 발판이 된다.

이 책을 번역하는 동안 많은 분의 도움을 받았고, 특히 이우준 박사와 이상진 박사의 조언 덕분에 더 좋은 문장으로 옮길 수 있었다. 이렇게 좋은 책을 번역할 수 있었던 건 개인적으로 영광이었는데, 만약 번역서의 문장이 원서의 탁월한 설명을 방해한다면 그것은 온전히 역자의 잘못일 것이다. 물리학과 양자광학을 좋아하는 모든 분이 이 책을 즐거이 읽기를 희망한다.