미래 양자 네트워크는 양자적 현상으로 작동하는 시스템을 통해 양자 컴퓨터를 연결할 수 있다.

이론적으로 양자 컴퓨터(quantum computers)는 양자 비트 또는 큐비트(qubits)로 정보를 1과 0으로 동시에 저장할 수 있게 하는 중첩을 포함, 양자 역학의 특성을 이용해 고전 컴퓨터보다 특정 기능을 더 빠르게 수행할 수 있을 것이다.

기존 컴퓨터와 마찬가지로 과학자들은 여러 개의 양자 컴퓨터를 연결해 데이터를 공유하고 함께 작업하는 “양자 인터넷”을 만들고자 한다. 이것은 단일 양자 컴퓨터로 처리하기에는 너무 방대한 계산이나 양자 암호를 사용해 완벽한 보안 통신을 구축하는 것을 포함하는 여러 응용 프로그램을 가능하게 한다.

양자 네트워크는 전송되는 정보의 양자 특성을 변경하지 않고 두 지점 사이에서 정보를 전송할 수 있어야 한다. 현재 하나의 모델은 다음과 같이 작동한다. 단일 원자 또는 이온은 스핀과 같은 양자 특성을 통해 정보를 저장하는 큐비트 역할을 한다. 그 정보를 읽고 다른 곳으로 전달하기 위해 원자는 빛의 파동으로 여기 되어 원자의 스핀과 스핀이 얽힌 광자를 방출한다. 그러면 광자는 광섬유 케이블을 통해 원자와 얽힌 정보를 장거리 전송할 수 있다.

그러나 이를 현실에서 구현하는 것은 이론보다 어렵다. 제어하고 측정할 수 있고 오류나 결어긋남(decoherence)을 유발하는 자기장 또는 전기장 변동에 너무 민감하지 않은 원자를 찾는 것은 쉽지 않다.

네이처(Nature) 논문의 저자 존 킨뎀(Jon Kindem)은 “빛과 잘 상호 작용하는 고체  방출체(emitters), 즉 양자점이나 다이아몬드의 공극은 종종 디코히런스의 대상이 된다. 즉, 그들은 양자 역학 측면에서 활용가능한 유용한 방식의 정보 저장을 중단한다”고 말한다.

한편, 크리스탈(crystals)의 희토류 이온은 큐비트로 유용하게 활용하는 특성을 가지고 빛과 잘 상호작용하지 않는 경향이 있다.

이 문제를 극복하기 위해 안드레이 파라온(Andrei Faraon) 칼텍(Caltech) 응용 물리 및 전기공학교수와 연구자들은 나노포토닉 공동(nanophotonic cavity)를 만들었다. 그런 다음 빔 중심에서 희토류 이테르븀( Yb3+ ) 이온을 식별했다. 광학 캐비티는 빔이 이온에 최종적으로 흡수될 때까지 빔을 여러 번 앞뒤로 반사한다.

네이처 논문에서 연구팀은 이 공동이 이온의 환경을 구성해 광학 공진기에서 광자가 방출될 때마다 광자가 공동에 남아있는 시간의 99% 이상을 과학자들이 효율적으로 수집하고 감지할 수 있도록 이온 상태를 측정한다. 이로 인해 이온이 광자를 방출할 수 있는 속도가 증가해 시스템의 전반적인 효과가 향상된다.

또한 이테르븀 이온은 스핀에 30밀리 초 동안 정보를 저장할 수 있다. 이때 빛은 미국 대륙을 가로 질러 여행하기 위해 정보를 전송할 수 있다. 파라온은 “이것은 대부분의 상자를 점검한다. 양자 네트워크를 만드는 데 필요한 방식으로 광자를 흡수하고 방출하는 희토류 이온이다. 이는 양자 인터넷을 위한 근본적 기술을 형성할 수 있다”고 말했다.

현재 이 팀은 양자 네트워크 구성 단위을 만드는 데 중점을 두고 있다. 다음으로, 그들은 실험을 확장하고 실제로 두 개의 큐비트를 연결할 계획이다.

*Kindem, J.M., Ruskuc, A., Bartholomew, J.G. et al. Control and single-shot readout of an ion embedded in a nanophotonic cavity. Nature (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2160-9