과학자들이 2개의 프로그램 가능한 마이크로 실리콘 칩 사이에서 양자 순간이동을 성공적으로 시연했다.

네이처 피직스(Nature Physics) 저널에 실린 연구는 통신 및 계산을 위한 대규모 통합 광학적 양자 기술의 토대를 마련했다.

양자 순간이동(Quantum teleportation)은 얽힘을 이용해 한 장소에서 다른 장소로 양자 입자의 양자 상태 전송을 가능하게 한다. 순간 이동은 양자 통신에 유용 할 뿐만 아니라 광학 양자 컴퓨팅의 기본 구성 요소다. 그러나 실험실에서 두 칩 간에 얽힘 통신 링크를 설정하는 것은 어려운 일이었다.

영국 브리스톨대(University of Bristol)의 공동 저자 댄 렐웰린(Dan Llewellyn) 박사는 “실험실에서 두 칩에 걸쳐 광자가 단일 양자 상태를 공유하는 고품질 얽힘 링크를 시연할 수 있었다”며 “각 칩은 얽힘을 활용하는 다양한 데모를 수행하도록 완전히 프로그래밍 됐다. 주력 데모는 두 개의 칩 순간 이동 실험으로, 양자 측정이 수행된 후 입자의 개별 양자 상태가 두 칩을 통해 전송된다”고 말했다.

이어 그는 “이 측정은 양자 물리학의 이상한 행동을 통해 얽힘 링크를 동시에 붕괴시키고 입자 상태를 이미 수신기 칩에 있는 다른 입자로 전달한다. 이전의 온칩 고품질 단일 광자 소스의 결과를 바탕으로, 우리는 4 개의 소스를 포함하는 훨씬 더 복잡한 회로를 구축했다”고 말했다.

공동 저자인 브리스톨대 QET랩(Quantum Engineering Technology Labs) 이메드 파루퀴에 (Imad Faruque) 박사는 “이러한 모든 소스는 거의 동일한 광자를 방출하는 것으로 밝혀졌으며, 이는 엉킴 현상과 같이 우리가 수행한 일련의 실험에 대한 필수 기준”이라고 설명했다.

결과는 91 %의 고충실도 양자 순간 이동을 보여주었다. 또한 이 팀은 얽힘 스와핑(양자 리피터 및 양자 네트워크에 필요) 및 4광자 GHZ 상태(양자 컴퓨팅 및 양자 인터넷에 필요) 등 다른 중요한 기능을 시연할 수 있었다.

덴마크 기술대학(DTU) 실리콘 광전자 연구소 연구원 윤홍 딩(Yunhong Ding) 박사는“저손실, 높은 안정성 및 뛰어난 제어성이 통합 양자 광학에 매우 중요하다”고 말했다.

교신저자 베이징대학 지안웨이 왕(Jianwei Wang) 박사는 “향후 양자 광학 장치와 고전적인 전자 제어 장치의 단일 실리콘 칩 통합으로 칩 기반 CMOS 호환 양자 통신 및 정보 처리 네트워크 가 가능할 것”이라고 설명했다.

*reference

Llewellyn, D., Ding, Y., Faruque, I.I. et al. Chip-to-chip quantum teleportation and multi-photon entanglement in silicon. Nat. Phys. (2019) doi:10.1038/s41567-019-0727-x