세계 최초로 양자 네트워크 하이브리드 얽힘(hybrid entanglement) 전송 실험이 성공했다.

프랑스와 미국 연구원들은 파동(wave)과 입자(particle), 빛이 지닌 두 가지 특성의 결합을 시도했다. 광자(photons)을 활용해 정보를 인코딩하는 두 가지 방법을 통합하는 이 접근 방식은 더 강력한 통신 및 컴퓨팅을 가능하게 한다.

고전 전자 장치가 정보를 디지털 또는 아날로그 신호로 표현하는 방법과 유사하게, 양자 시스템은 정보를 입자의 이산 변수(discrete variables, DV) 또는 파동의 연속 변수(continuous variables, CV)로 인코딩 할 수 있다. 그동안 연구자들은 시스템에서 한 가지 접근 방식을 사용했지만 둘 다 사용하지는 않았다.

스페인 바르셀로나의 포토닉스 사이언스 연구소(Institute of Photonic Sciences) 위그 리에드마텐(Hugues de Riedmatten)은 “DV 및 CV 인코딩은 뚜렷한 장점과 단점이 있다”고 사이언티픽아메리카(SA)에서 말했다. CV시스템은 광파의 다양한 강도 또는 위상으로 정보를 인코딩한다. DV 접근 방식보다 더 효율적인 경향이 있지만 더 섬세해 신호 손실에 대한 감도가 더 강하다. 광자를 계산하여 정보를 전송하는 DV를 사용하는 시스템은 CV기술 보다 기존 정보 기술과 페어링하기가 더 어렵다. 그러나 오류가 발생하기 쉽고 내결함성이 있다.

양자 네트워크에서, 정보는 양자 역학에 기초해 생성, 저장 및 전송된다. 이론적으로 기존 시스템에서 가능한 모든 것을 능가하는 보안 및 계산 능력 수준이 가능하다.

데이터를 분배하기 위해 양자 네트워크는 양자얽힘이라는 효과에 의존한다. 알버트 아인슈타인(Albert Einstein)에 의해 “먼 거리에서의 괴이한 거동(spooky action)”으로 잘 알려진 것처럼, 얽힘은 광자와 같은 입자가 밀접하게 상호작용한 입자 사이에서 생성된다. 아인슈타인과 다른 사람들은 임의의 장거리로 분리 된 후에도 얽힌 입자가 계속해서 서로의 행동에 영향을 미치기 때문에 “유령같다”고 생각했다.

입자 중 하나의 상태가 변경되면 다른 하나의 상태가 동시에 변경된다. 이 양자 효과는 초 보안 통신을 가능하게 한다. 이러한 양자 효과를 활용하는 시스템은 여러 형태를 취할 수 있지만 일반적으로 DV 또는 CV 아키텍처를 따른다.

파리의 카 슬러 브로셀 연구소(Kastler Brossel Laboratory)와 미국 국립 표준기술연구소(National Institute of Standards and Technology)의 과학자들은 단일 양자 네트워크 내에서 DV 및 CV 인코딩된 빛 상태 사이의 얽힘을 설정하고 분배함으로써 두 기술을 성공적으로 통합했다.

이 팀은 복잡한 광학 구성 요소 조합을 사용해 두 가지 얽힘 상태 광자를 성공적으로 생산했다. 그중 하나는 두 개의 다른 경로 사이에 단일 광자를 분리해 발생했다. 다른 하나, 하이브리드 얽힘은 DV 광학 큐비트를 CV 큐비트와 얽힘을 통해 두 개의 서로 다른 위상의 중첩으로 유지됐다.

연구 수석 저자 파리 소르본대(Sorbonne University)의 줄리안 로렛(Julien Laurat) 교수는 “이 두 개의 개별적 얽힘 사이에서 벨 상태 측정이라는 특별한 공정을 사용해 얽힘이 두 시스템으로 전송, ‘텔레포트(teleport)’됐다”고 말한다.

이러한 전이로 인해 큐비트 양자 정보를 한 인코딩 방법에서 다른 인코딩 방법으로 변환해 DV 및 CV 접근 방식을 확장 가능한 단일 양자 네트워크에 통합할 수 있는 길을 제시했다.

이 연구에 참여하지 않은 이탈리아 국립 광학 연구소(National Institute of Optics) 마르코 벨리니(Marco Bellini)는 이 연구가 중요한 것은 연구원들이 두 가지 종류의 인코딩된 양자 정보를 가지고 있는 두 개의 광선 사이에서 얽힘을 성공적으로 교체했다는 점이라고 설명했다.

이종 시스템을 서로 연결하는 것은 여전히 큰 과제다. 그러나 이 실험은 서로 다른 물리적 양자 플랫폼을 기반으로 메모리와 프로세서를 연결하고 DV 및 CV를 포함한 광범위한 양자 상태를 충실히 수행할 수 있을 정도로 미래 네트워크의 중요한 구성 요소가 될 수 있는 것을 보여준다.

그러나 벨리니는 실제 하이브리드 양자 네트워크가 달성되기 전에 훨씬 더 많은 작업을 수행해야한다고 덧붙였다. 현재 실험 방법은 매우 비효율적이다. 평균적으로 CV 큐비트와 DV 사이의 거리에서 분당 세 번만 하이브리드 얽힘을 생성한다. 이 속도는 여전히 증명 데모 데이터를 축적하기에 충분하지만 실제 적용에는 너무 낮은 수준이다.

추가적인 돌파구가 임박 할 수 있습니다. 세계 다른 그룹들은 추가적인 새로운 양자 네트워킹 프로토콜을 개발하고 시연하기 위해 이러한 실험실 예비 실험 시연과 실제 장치 간의 격차를 해소하기 위해 경쟁하고 있다.

벨리니가 이끄는 팀 중 하나는 하이브리드 기술을 사용해 기존 광 필드에 단일 광자를 더하거나 빼서 얽힘을 조작하는 작업을 하고 있다. 일본, 러시아, 덴마크 및 체코 팀들도 양자 정보에 대한 광 하이브리드 접근법을 연구하고 있다.

조만간 이러한 하이브리드 얽힘 실험은 보다 소형화되고 효율적이 돼 통신업체의 기존 광섬유 네트워크와 호환될 수 있다.

*Connecting heterogeneous quantum networks by hybrid entanglement swapping