물질과 빛 입자(photon, 광자) 사이 양자 얽힘(quantum entanglement) 전송 거리를 두 배 확대한 새로운 기록이 나왔다.

오스트리아 인스브루크대(University of Innsbruck)와 미국 육군 연구소(US Army Research Laboratory, ARL) 연구원들은 50km 광섬유를 통해 칼슘 원자와 빛 입자의 양자 상태를 얽힘을 입증했다.

인스브루크대 실험 물리학자 벤 레뇽(Ben Lanyon) 박사는 “이것은 이전에 가능했던 것보다 2배 더 확대, 도시 간 양자 네트워크를 구축하기에 실질적인 거리” 라고 말했다.

양자 얽힘은 두 개의 양자 입자와 그 특성이 물리적 접촉없이 연결되는 것을 말한다. 두 큐 비트가 얽히고 하나의 측정이 수행되면 다른 하나의 측정 결과에 영향을 준다. 이를 통해 두 큐비트 사이의 데이터 처리가 동시에 발생할 수 있다.

얽힘은 양자 에너지 단위인 물리적 양자 비트, 큐비트(qubits)의 멀리 떨어진 네트워크 노드로 구성되는 도시 간 양자 인터넷 네트워크에 필수적이다.

ARL 물리 프로그램 관리자 사라 겜블(Sara Gamble) 박사는 “광섬유를 통과 한 뒤 얽힘의 품질은 다른 쪽 끝에서 가장 어려운 양자 네트워킹 응용 프로그램의 일부 요구 사항을 충족시키기에 충분히 높다”고 말했다.

연구원들은 양자 정보가 저장된 광자를 방출하기 위해 이온 트랩 된 칼슘 원자와 레이저 빔으로 시작했다. 칼슘 이온에 의해 방출 된 광자는 854 나노 미터의 파장을 가지므로 광섬유에 의해 빠르게 흡수 될 것이다. 따라서 연구팀은 광자 파장을 강한 레이저로 조명한 비선형 결정을 통해 전송, 광자 파장을 장거리 이동을 위한 최적의 값, 즉 현재의 통신 표준 파장 인 1,550나노 미터로 변환했다.

그런 다음 연구원들은 50km 길이의 광섬유 라인을 통해 광자를 보냈다. 파장 변환과 거리가 이동한 후에도 원자와 광자가 여전히 얽혀있었다.

양자 얽힘을 사용해 동기화되는 원자 시계의 글로벌 네트워크인 대규모 얽힌 “클럭”네트워크는 정밀한 위치, 탐색 및 타이밍 애플리케이션을 위해 군이 관심을 갖는 분야다.

관련 연구는 네이처(Nature) 저널 ‘양자정보(Quantum Information)’에 발표됐다(논문 : Light-matter entanglement over 50 km of optical fibre).

한편, 위성을 활용한 광자 사이 양자 얽힘은 1200km를 넘어섰다.

2017년 연구에서 과학자들은 1,200km(750 마일) 거리에서 위성과 지구 사이에 얽힌 광자를 성공적으로 전송했다. 상하이의 중국 과학기술대(Science and Technology University) 연구진은 사이언스 논문에서 위성에서 1,203km 떨어진 두 개의 지상국으로 두 개의 얽힌 광자를 전송했음을 밝혔다.