획기적인 업그레이드로 양자 링크가 200배 더 멀리 확장됩니다.

최근까지 두 대의 양자 컴퓨터는 몇 킬로미터에 걸쳐 광섬유 케이블을 통해서만 연결할 수 있었습니다. 이러한 제한은 시카고 대학교 사우스 사이드 캠퍼스의 시스템이 윌리스 타워의 시스템과 통신할 수 없음을 의미합니다. 둘 다 같은 도시 내에 위치해 있음에도 마찬가지입니다. 현재 기술로는 거리가 너무 멀었습니다.

11월 6일에 발표된 새로운 연구 네이처커뮤니케이션즈 시카고 대학교 프리츠커 분자 공학 대학(UChicago PME) Asst. Tian Zhong 교수는 이 경계가 훨씬 더 멀리까지 확장될 수 있다고 제안합니다. 그의 팀의 작업은 양자 연결이 이론적으로 최대 2,000km(1,243마일)까지 확장될 수 있음을 나타냅니다.

이 방법을 사용하면 한때 윌리스 타워에 도달하는 데 어려움을 겪었던 시카고대 양자 컴퓨터가 대신 유타주 솔트레이크시티 외부에 있는 장치와 연결할 수 있었습니다.

최근 이 연구로 권위 있는 스터지상(Sturge Prize)을 수상한 Zhong은 “처음으로 글로벌 규모의 양자 인터넷을 구축하기 위한 기술이 손에 닿을 수 있게 되었습니다”라고 말했습니다.

양자 일관성이 중요한 이유

고성능 양자 네트워크를 만들기 위해 연구자들은 신호가 광섬유 케이블을 통해 이동할 때 원자를 얽히고 그 얽힘을 유지해야 합니다. 얽힌 원자의 일관성 시간이 길수록 연결된 양자 컴퓨터는 더 멀리 떨어져 있을 수 있습니다.

새로운 연구에서 Zhong 팀은 개별 에르븀 원자의 일관성 시간을 0.1밀리초에서 10밀리초 이상으로 높이는 데 성공했습니다. 한 실험에서 그들은 24밀리초의 일관성을 달성했습니다. 이상적인 조건에서 이러한 개선은 UChicago PME와 콜롬비아 Ocaña 사이의 거리인 약 4,000km 떨어진 양자 컴퓨터 간의 통신을 가능하게 할 수 있습니다.

새로운 방식으로 동일한 재료 만들기

팀은 낯설거나 이국적인 소재로 전환하지 않았습니다. 대신, 그들은 재료가 어떻게 구성되었는지 재구상했습니다. 그들은 표준 Czochralski 방법 대신 분자선 에피택시(MBE)라는 방법을 사용하여 양자 얽힘에 필요한 희토류 도핑 결정을 생산했습니다.

“이 재료를 만드는 전통적인 방법은 본질적으로 용광로에 의한 것입니다”라고 Zhong은 Czochralski 접근 방식을 언급하면서 말했습니다. “재료를 적당한 비율로 넣고 다 녹이면 됩니다. 섭씨 2,000도 이상으로 올라가서 천천히 냉각되면서 재료 결정이 형성됩니다.”

그 후 연구자들은 냉각된 결정을 화학적으로 조각하여 사용 가능한 구성 요소로 만듭니다. Zhong은 이것을 최종 형태가 나올 때까지 대리석을 깎아내는 조각가에 비유합니다.

MBE는 매우 다른 아이디어를 사용합니다. 3D 프린팅과 유사하지만 원자 규모입니다. 이 공정은 극도로 얇은 층에 결정을 내려놓아 결국 장치에 필요한 정확한 구조를 형성합니다.

Zhong은 “우리는 아무것도 없이 시작한 다음 이 장치 원자를 원자 단위로 조립합니다”라고 말했습니다. “이 물질의 품질이나 순도가 너무 높아서 이러한 원자의 양자 일관성 특성이 탁월해집니다.”

MBE는 재료 과학의 다른 분야에서도 사용되었지만 이전에는 이러한 유형의 희토류 도핑 재료에 적용되지 않았습니다. 이 프로젝트를 위해 Zhong은 재료 합성 전문업체인 UChicago PME Asst와 협력했습니다. Shuolong Yang 교수는 MBE를 필요에 맞게 조정합니다.

연구에 참여하지 않은 광자 과학 연구소 교수 Hugues de Riedmatten 박사는 이번 결과를 중요한 진전이라고 설명했습니다. “이 논문에서 입증된 접근 방식은 매우 혁신적입니다.”라고 그는 말했습니다. “이것은 상향식의 잘 제어된 나노제조 접근 방식이 뛰어난 광학 및 스핀 일관성 특성을 갖춘 단일 희토류 이온 큐비트의 실현으로 이어질 수 있으며, 모두 섬유 호환 장치 아키텍처에서 통신 파장에서 방출되는 수명이 긴 스핀 광자 인터페이스로 이어질 수 있음을 보여줍니다. 이는 제어된 방식으로 많은 네트워크 가능 큐비트를 생산할 수 있는 흥미로운 확장 가능한 방법을 제공하는 중요한 발전입니다.”

실제 테스트 준비

프로젝트의 다음 단계는 향상된 일관성 시간이 실제로 이론적 모델 외부의 장거리 양자 통신을 지원할 수 있는지 여부를 결정하는 것입니다.

Zhong은 “실제로 시카고에서 뉴욕까지 광섬유를 배치하기 전에 우리 연구실에서 이를 테스트할 것”이라고 말했습니다.

팀은 1,000km의 코일형 섬유를 사용하여 Zhong의 실험실 내부에 있는 별도의 희석 냉장고(“냉장고”)에 보관된 두 개의 큐비트를 연결할 계획입니다. 이 단계는 더 큰 규모로 이동하기 전에 시스템이 예상대로 작동하는지 확인하는 데 도움이 됩니다.

“우리는 이제 내 연구실에서 세 번째 냉장고를 만들고 있습니다. 모두 합쳐지면 로컬 네트워크가 형성될 것입니다. 먼저 내 연구실에서 로컬로 실험을 수행하여 미래의 장거리 네트워크가 어떤 모습일지 시뮬레이션할 것입니다.”라고 Zhong은 말했습니다. “이것은 모두 진정한 양자 인터넷을 만들겠다는 원대한 목표의 일부이며, 우리는 이를 향한 또 하나의 이정표를 달성하고 있습니다.”