과학자들은 빛을 사용하여 정보를 순간 이동했습니다.

그들의 연구는 네이처커뮤니케이션즈.

정보 전송을 위한 작은 플랫폼으로서의 양자점

IHFG 대표이자 IHFG 대변인인 Peter Michler 교수는 “세계 최초로 두 개의 서로 다른 양자점에서 발생하는 광자 간에 양자 정보를 전달하는 데 성공했습니다.”라고 말했습니다. Quantenrepeater.Net (QR.N) 연구 프로젝트. 이것이 왜 중요한지 이해하려면 의사소통이 어떻게 이루어지는지 살펴보는 것이 도움이 됩니다. 누군가 WhatsApp 메시지를 보내든 비디오를 스트리밍하든 데이터는 항상 0과 1에 의존합니다. 양자 통신은 비슷한 아이디어를 따르지만 개별 광자가 정보 전달자 역할을 합니다. 0 또는 1은 광자의 편광 방향(즉, 수평 및 수직 방향 또는 두 상태의 중첩 방향)을 통해 인코딩됩니다. 광자는 양자역학에 따라 행동하기 때문에 탐지 가능한 흔적을 남기지 않고서는 광자의 편광을 측정할 수 없습니다. 메시지를 가로채려는 모든 시도가 노출됩니다.

광섬유용 양자 네트워크 준비

또 다른 중요한 문제는 오늘날의 인터넷 인프라와의 호환성과 관련이 있습니다. 저렴한 양자 인터넷은 현재 사용되는 것과 동일한 광섬유에 의존합니다. 그러나 광섬유를 통해 이동하는 빛은 제한된 거리에서만 전송될 수 있습니다. 기존 신호는 광 증폭기를 사용하여 대략 50km마다 새로 고쳐집니다. 양자 정보는 증폭되거나 복사될 수 없습니다. 이는 이 접근 방식이 작동하지 않음을 의미합니다. 대신, 양자 물리학은 정보 자체가 알려지지 않은 한 한 광자에서 다른 광자로 정보를 전송할 수 있게 해줍니다. 이 현상을 양자 순간이동이라고 합니다.

장거리 전송용 양자중계기 개발

양자 순간이동을 활용하기 위해 과학자들은 양자 정보가 광섬유에서 사라지기 전에 갱신할 수 있는 양자 중계기를 설계하고 있습니다. 이러한 중계기는 양자 인터넷에서 필수 노드로 작동합니다. 그것들을 만드는 것은 어려웠습니다. 순간 이동을 위해서는 광자가 타이밍 및 색상과 같은 속성이 거의 동일해야 합니다. 이러한 광자를 생성하는 것은 별도의 소스에서 나오므로 어렵습니다. IHFG의 과학자이자 이번 연구의 제1저자인 팀 스트로벨(Tim Strobel)은 “다른 양자점에서 나온 빛 양자는 너무 어렵기 때문에 이전에 순간이동된 적이 없었다”고 말했다.

QR.N의 일환으로 그의 팀은 서로 밀접하게 일치하는 광자를 방출하는 반도체 광원을 개발했습니다. Strobel은 “이러한 반도체 섬에는 원자처럼 특정한 고정된 에너지 준위가 존재합니다.”라고 말했습니다. 이 설정을 통해 잘 정의된 특성을 가진 개별 광자를 생성할 수 있습니다. “드레스덴에 있는 라이프니츠 고체 및 재료 연구 연구소의 우리 파트너는 최소한으로만 다른 양자점을 개발했습니다”라고 그는 덧붙입니다. 이를 통해 서로 다른 두 위치에서 거의 동일한 광자를 생성할 수 있습니다.

서로 다른 소스의 광자 간 정보 순간 이동

슈투트가르트 대학에서 연구진은 광자의 편광 상태를 하나의 양자점에서 두 번째 양자점에 의해 생성된 광자로 성공적으로 순간이동시켰습니다. 한 점은 단일 광자를 방출하고 다른 점은 얽힌 광자 쌍을 생성합니다. “얽힘”은 두 광자가 물리적으로 떨어져 있을 때에도 단일 양자 상태를 공유한다는 것을 의미합니다. 쌍의 광자 하나가 두 번째 양자점으로 이동하여 광자와 상호 작용합니다. 두 개가 겹칠 때, 그 중첩은 원래 광자의 정보를 얽힌 쌍의 멀리 있는 파트너에게 전달합니다.

이 성과의 핵심 요소는 광자 간의 작은 주파수 불일치를 조정하는 장치인 “양자 주파수 변환기”를 사용하는 것이었습니다. 이 변환기는 자를란트 대학교(Saarland University)의 양자 광학 전문가인 Christoph Becher 교수가 이끄는 팀이 설계했습니다.

더 먼 거리와 더 높은 정확도를 향한 노력

Michler는 “서로 다른 양자점의 광자 간에 양자 정보를 전송하는 것은 더 먼 거리를 연결하는 중요한 단계입니다.”라고 설명합니다. 이번 실험에서는 두 개의 양자점을 약 10m 길이의 광섬유로 연결했다. “그러나 우리는 훨씬 더 먼 거리를 달성하기 위해 노력하고 있습니다”라고 Strobel은 말합니다.

이전 연구에서는 이미 양자점 광자 사이의 얽힘이 슈투트가르트 도심을 통과하는 36km 전송에서 살아남을 수 있음을 보여주었습니다. 팀은 또한 현재 70%를 조금 넘는 순간이동 성공률을 높이는 것을 목표로 하고 있습니다. 각 양자점 내의 변화는 여전히 광자에 작은 불일치를 유발합니다.

“우리는 반도체 제조 기술을 발전시켜 이를 줄이고 싶습니다”라고 Strobel은 말합니다. IHFG의 그룹 리더이자 연구 코디네이터 중 한 명인 Simone Luca Portalupi 박사는 “이 실험을 달성하는 것은 오랜 야망이었습니다. 이러한 결과는 수년간의 과학적 헌신과 진보를 반영합니다. 기초 연구에 초점을 맞춘 실험이 어떻게 실제 응용을 향한 첫 걸음을 내딛는지 보는 것은 매우 흥미롭습니다.”라고 덧붙였습니다.

양자중계기 기술 구축을 위한 범국가적 노력

양자 중계기에 대한 연구는 “연방 연구 기술 우주부(BMFTR)로부터 자금을 지원받습니다.Quantenrepeater.Net (QR.N)” 프로젝트입니다. 자를란트 대학이 조정한 QR.N 네트워크에는 광섬유 네트워크에서 양자 중계기 기술을 개발하고 테스트하기 위해 협력하는 대학, 연구 기관 및 업계의 42개 파트너가 포함되어 있습니다. 이 프로그램은 BMFTR(이전 BMBF)의 지원을 받는 이전 “Quantenrepeater.Link(QR.X)” 이니셔티브의 결과를 기반으로 하며, 이는 2021년부터 2024년까지 전국적인 양자 중계기의 기반을 마련하는 데 도움이 되었습니다. 슈투트가르트 대학의 과학자들은 두 가지 노력 모두에서 중심적인 역할을 해왔습니다.

양자 순간이동 실험은 드레스덴의 라이프니츠 고체 및 재료 연구 연구소(IFW)와 자를란트 대학의 양자 광학 연구 그룹의 도움을 받아 반도체 광학 및 기능 인터페이스 연구소(IHFG)의 주도하에 수행되었습니다.