장거리 양자 네트워크를 위한 프로토 타입 양자 시스템이 실험적으로 구현됐다.

미국 하버드대(Harvard University)와 MIT 연구원들은 양자 정보 양자비트(quantum bits, qubits)를 포착, 저장 및 얽힘을 형성할 수 있는 프로토타입 양자 리피터 노드를 개발했다.

하버드 양자 이니셔티브(Harvard Quantum Initiative) 공동 책임자 미하일 루킨(Mikhail Lukin) 교수는 “이 데모는 가능한 한 가장 긴 양자 네트워크 범위를 확장하고 기존 기술로는 불가능한 방식으로 많은 새로운 애플리케이션을 가능하게 하는 개념적인 혁신”이라고 말했다.

신호 손실을 수정하거나 보상함으로써 원거리 통신을 가능하게 하는 전신 시절부터 활용된 중계기 개념의 양자 네트워크 버전이다.

네이처에 발표된 논문은 연구 과정과 결과를 소개했다.

얽힘(Entanglement)은 정보가 모든 거리에서 완벽하게 상관돼 도청 위험을 제거할 수 있다. 양자 암호 (Quantum cryptography)와 같은 애플리케이션을 위한 기초다.

장거리 양자 통신은 대규모 양자 인터넷을 구현하는 데 주요 장애물 중 하나인 기존 광자 손실에 의해 영향을 받는다. 그러나 양자 통신을 매우 안전하게 만드는 동일한 물리적 원리로 인해 기존 중계기를 사용해 정보 손실을 해결할 수 없다.

신호를 읽을 수 없는 경우 신호를 어떻게 증폭하고 교정할 수 있을까? 이 불가능한 작업에 대한 해결책은 소위 양자 리피터(quantum repeater) 와 관련이 있다. 양자 중계기를 활용, 네트워크를 통해 신호를 증폭시키는 기존 리피터와 달리 양자 리피터는 메시지를 전송할 수 있는 얽힌 입자 네트워크를 만든다.

본질적으로, 양자 중계기는 소형의 특수 목적 양자 컴퓨터다. 그러한 네트워크의 각 단계에서, 양자 리피터는 양자 정보의 양자 비트를 포착하고 처리해 오류를 정정하고 나머지 네트워크가 준비될 수 있을 정도로 오래 저장할 수 있어야 한다.

지금까지는 두 가지 이유로 불가능했다. 첫째, 단일 광자는 포획이 매우 어렵다. 둘째, 양자 정보는 매우 취약하기 때문에 장기간 처리하고 저장하는 것은 매우 어려운 일이다.

하버드와 MIT 연구진은 다이아몬드의 실리콘 공극 컬러 센터(color-center) 와 같은 두 가지 작업을 모두 잘 수행할 수 있는 시스템을 활용하기 위해 수년 동안 노력해 왔다. 이 컬러 센터들은 다이아몬드 원자 구조에서 아주 작은 결함으로 빛을 흡수하고 방출해 다이아몬드의 화려한 색상을 만들어낸다.

연구원들은 개별 컬러 센터를 나노 가공 된 다이아몬드 공극(cavity)에 통합했다. 이는 정보를 갖는 광자를 가두고 이들이 단일 컬러 센터와 상호 작용하도록 한다.

그런 다음 장치를 희석 냉장고에 넣고 절대 0도에 가까운 온도로 냉각한다. 광섬유 케이블을 통해 개별 광자를 냉장고로 전달해 컬러 센터에 효과적으로 포획했다. 이 장치는 밀리 초 동안 양자 정보를 저장할 수 있다. 이는 수천 킬로미터에 걸쳐 정보를 전송할 수 있는 시간이다.

하버드 연구실 바트 마키엘스(Bart Machielse)는 “이 장치는 양자 리피터의 가장 중요한 세 가지 요소 인 긴 메모리, 광자에서 정보를 효율적으로 포착하는 능력 및 로컬에서 정보를 처리하는 방법을 결합한다. 이러한 각 과제는 개별적으로 해결됐지만 세 가지를 모두 결합한 장치는 없었다”고 말했다.

루킨 교수는 “이것은 양자 리피터 노드를 사용해 정보를 전달하는 데있어 명확한 양자 이점을 보여주는 나노 제조, 광자 및 양자 제어의 주요 발전을 결합한 최초의 시스템 레벨 데모다. 우리는 이러한 기술을 사용하여 새롭고 독특한 응용 프로그램을 탐색하기를 기대한다”고 밝혔다.

* Bhaskar, M.K., Riedinger, R., Machielse, B. et al. Experimental demonstration of memory-enhanced quantum communication. Nature (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2103-5