기초 양자 네트워크로 양자 정보 순간 이동

연구원들은 기초 양자 네트워크를 통해 양자 정보를 순간이동하는 데 성공했다. 미래의 양자 인터넷을 향한 중요한 단계다.

이 돌파구는 크게 개선된 양자 메모리와 네트워크의 3개 노드 간의 양자 링크 품질 향상으로 가능했다. 네덜란드 델프트 공과 대학(TU Delft)과 네덜란드 응용 과학 연구 기구(TNO)가 공동으로 공동 작업한 QuTech 연구원들은 25일(현지시각) 과학 저널 네이처(Nature)에 연구 결과를 발표했다.

미래 양자 인터넷의 힘은 네트워크 노드 간에 양자 정보(양자 비트)를 보내는 능력에 기반한다. 이를 통해 기밀 정보를 안전하게 공유하고, 컴퓨팅 능력을 향상시키기 위해 여러 양자 컴퓨터를 함께 연결하고, 고정밀 연결된 양자 센서를 사용하는 것과 같은 모든 종류의 응용 프로그램을 사용할 수 있다.

이러한 양자 네트워크 노드는 작은 양자 프로세서로 구성된다. 이러한 프로세서 간에 양자 정보를 전송하는 것은 쉬운 일이 아니다. 한 가지 가능성은 가벼운 입자를 사용하여 양자 비트를 보내는 것이지만 특히 장거리에서 유리 섬유 케이블의 불가피한 손실로 인해 가벼운 입자는 목적지에 도달하지 못할 가능성이 매우 높다. 단순히 양자 비트를 복사하는 것은 근본적으로 불가능하기 때문에 가벼운 입자의 손실은 양자 정보가 복구 불가능하게 손실된다는 것을 의미한다.

순간 이동(teleportation)은 양자 정보를 보내는 더 나은 방법dl다. 양자 순간이동 프로토콜의 이름은 공상과학 영화의 순간이동과 유사하기 때문dl다. 따라서 양자 비트는 중간 공간을 가로질러 이동할 필요가 없으므로 손실될 가능성이 없다. 이것은 양자 순간이동을 미래 양자 인터넷을 위한 중요한 기술로 만든다.

양자 비트를 순간 이동시킬 수 있으려면 몇 가지 요소가 필요하다. 발신자와 수신자 사이의 양자 얽힘 링크, 양자 프로세서를 읽기 위한 신뢰할 수 있는 방법, 양자 비트를 임시로 저장할 수 있는 용량. QuTech의 이전 연구에서는 두 인접 노드 사이에서 양자 비트를 텔레포트할 수 있음을 보였다. QuTech의 연구원들은 이제 처음으로 요구 사항 패키지를 충족, 네트워크를 통해 인접하지 않은 노드 간의 순간 이동을 시연했다. 그들은 중간 노드 “Bob”의 도움으로 노드 “Charlie”에서 노드 “Alice”로 양자 비트를 순간이동했다.

텔레포트는 세 단계로 구성된다. 먼저 ‘텔레포터’가 준비되어 있어야 하는데, 이는 앨리스와 찰리 사이에 얽힘 상태(entangled state)가 생성돼야 함을 의미한다. Alice와 Charlie는 직접적인 물리적 연결이 없지만 둘 다 Bob과 직접 연결돼 있다. 이를 위해 Alice와 Bob은 프로세서 간에 얽힌 상태를 만든다. 그런 다음 Bob은 얽힌 상태의 일부를 저장한다. 다음으로 Bob은 Charlie와 얽힌 상태를 만든다. 그런 다음 Bob은 프로세서에서 특수 측정을 수행하여 얽힘을 있는 그대로 보낸다. 결과: 앨리스와 찰리는 이제 얽힘 상태에 있고 텔레포터를 사용할 준비가 됐다.

두 번째 단계는 순간이동할 “메시지”(양자 비트)를 만드는 것입니다. 이것은 예를 들어 “1” 또는 “0” 또는 다양한 다른 중간 양자 값일 수 있다. Charlie는 이 양자 정보를 준비한다. 순간 이동이 일반적으로 작동한다는 것을 보여주기 위해 연구원들은 다양한 양자 비트 값에 대해 전체 실험을 반복했다.

3단계는 Charlie에서 Alice로 실제 순간이동한다. 이를 위해 Charlie는 양자 프로세서의 메시지와 얽힘 상태의 절반(Alice는 나머지 절반)에서 공동 측정을 수행한다. 그런 다음 일어나는 일은 양자 세계에서만 가능한 일이다. 이 측정의 결과 찰리 쪽에서 정보가 사라지고 즉시 앨리스 쪽에서 나타난다.

그러면 모든 것이 완료되었다고 생각할 수 있지만 진실에서 더 이상 아무것도 있을 수 없다. 사실, 양자 비트는 전송 시 암호화됐다. 키는 Charlie의 측정 결과에 따라 결정된다. 그래서 Charlie는 측정 결과를 Alice에게 보내고 Alice는 양자 비트를 해독하기 위한 관련 양자 연산을 수행한다. 예를 들어 “비트 플립”을 통해: 0은 1이 되고 1은 0이 된다.

Alice가 올바른 작업을 수행한 후 양자 정보는 추가 사용에 적합하다. 텔레포트에 성공했다.

후속 연구는 순간이동 프로토콜의 1단계와 2단계를 반대로 하는 데 중점을 둘 것이다. 이것은 먼저 텔레포트할 양자 비트를 생성(또는 수신)한 다음 텔레포트를 수행하기 위해 텔레포터를 준비하는 것을 의미한다. 얽힘이 생성되는 동안 순간이동할 양자 정보를 저장해야 하기 때문에 순서를 뒤집는 것은 특히 어렵다. 그러나 순간이동은 “요청 시” 완전히 수행할 수 있으므로 상당한 이점이 있다. 예를 들어, 양자 정보에 어려운 계산 결과가 포함되어 있거나 순간이동을 여러 번 수행해야 하는 경우에 적합하다. 따라서 장기적으로 이러한 유형의 순간 이동은 양자 인터넷의 중추 역할을 할 것이다.

Alice가 올바른 작업을 수행한 후 양자 정보는 순간이동 추가 사용에 적합하다.