과학자들이 50km 거리 광섬유 케이블로 두 개의 양자 메모리 사이에 양자 얽힘 상태를 구현했다.

앞선 기록의 거의 40배 거리로 도시 간 초고속 양자 인터넷 아이디어 구현에 한발 다가선 성과다.

양자 통신은 양자 얽힘(Quantum Entanglement)이란 아인슈타인이 말한 ‘먼 거리에서 유령같은 거동(spooky action at a distance)’ 현상에 기반한다. 두 입자가 같은 위치에 있지 않더라도 서로 밀접하게 연결돼 상호 작용한다.

양자 메모리는 양자 정보를 저장하고 나중에 보관할 수 있는 고전 컴퓨터 메모리의 양자 버전에 해당한다. 양자 컴퓨터가 실제로 실용적이고 유용한 단계에 도달할 경우 양자 메모리 작동은 중요하다.

연구는 12일(현지시각) 네이처(Nature) 저널에 발표됐다.

연구를 이끈 허베이성의 중국 과학기술대학(University of Science and Technology of China, USTC) 판 지안웨이( Pan Jian-Wei,潘建伟) 교수는 “원격 양자 프로세서를 연결하는 양자 인터넷은 분산 양자 컴퓨팅과 같은 수많은 혁신적인 애플리케이션을 가능하게 한다. 이는 장거리에 걸친 원격 양자 메모리의 얽힘에 의존 한다”고 말했다.

우주 공간과 광섬유를 통한 광자 얽힘(photon entanglement) 구현은 양자 메모리를 추가하면 프로세스가 훨씬 복잡해진다. 이에 연구원들은 다른 접근방식을 시도했다. 연속 노드에 대한 원자-광자(atom–photon) 얽힘에서 원자가 노드이고 광자가 메시지를 전송한다. 광자 얽힘은 원자 물질이 혼합물에 추가돼 효율성, 신뢰성 및 안정성이 향상된다.

노드 네트워크를 사용하면 광자를 단독으로 사용하는 순수한 양자 얽힘보다 양자 인터넷에 더 나은 기반을 제공할 수 있다. 이 실험에서, 양자 메모리를 위한 2개의 저장 장치는 낮은 에너지 상태로 냉각된 루비듐 원자였다. 얽힌 광자와 결합되면 각각 얽힌 시스템의 일부가 된다.

원자 사이를 이동하는 광자 간격이 길어질수록 시스템이 방해받을 위험이 커진다. 거리를 크게 향상한 핵심은 공동 강화(cavity enhancement)이라는 기술로 얽힘 동안 광자 결합 손실을 줄이는 데 효과적이다. 양자 메모리 원자를 특수 고리에 배치함으로써 메모리를 방해하고 파괴할 수 있는 랜덤 노이즈를 줄인다. 공동에는 양자 정보의 검색을 향상시키는 추가 기제가 있다.

공동 강화에 의해 생성된 결합 원자 및 광자는 노드를 구성한다. 광자들은 통신 네트워크를 통해 전송하기에 적합한 주파수(이 경우 도시의 크기의 통신 네트워크)로 변환됐다.

연구 팀은 2017년에 1,200km 거리에서 위성과 지구 사이에 얽힌 광자를 전송하기 전에 양자얽힘 기록을 달성했다. 이 위성 시스템은 우주에서 잘 작동하지만 모든 간섭, 광섬유와 함께 지구 대기에서도 작동한다. 케이블은 신호 손실을 줄일 수 있다.

이 실험에서 원자 노드는 같은 실험실에 있었지만 광자는 50km이상의 케이블을 가로질러 이동해야했다. 실제로 원자를 더 분리하는 데는 어려움이 있지만 개념증명(POC)이 있다.

판 교수는 “두 노드 사이에서 달성된 최대 물리적 분리는 1.3킬로미터이며 더 먼 거리에 대한 과제는 여전히 남아있다”며 “우리 실험은 비슷한 거리에 물리적으로 분리된 노드로 확장될 수 있다. 원자 양자 네트워크의 기능적 세그먼트를 형성해 많은 노드와 훨씬 더 먼 거리에서 원자 얽힘을 형성할 수 있는 길을 열어줄 것”이라고 설명했다.

양자 메모리는 고전 물리학에서 컴퓨터 메모리와 동일한 기능을 하지만, 양자 버전은 훨씬 더 많은 작업을 수행할 수 있어야한다. 더 빠른 시간에 더 많은 정보를 처리하고 고전 컴퓨터를 넘어서는 문제를 해결해야 한다.

양자 기술은 전송 속도를 개선하고 물리 법칙을 사용한 암호화로 데이터 전송을 보호할 수 있다.

*reference

Yu, Y., Ma, F., Luo, X. et al.  Entanglement of two quantum memories via fibres over dozens of kilometresNature578, 240–245 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-1976-7