美 두 국립 연구소 양자 네트워크 기록적 동기화

양자 컴퓨팅은 현재 또는 기존 컴퓨팅이 할 수 없는 복잡한 문제를 해결할 것으로 기대된다. 그리고 양자 네트워킹은 양자 컴퓨팅의 완전한 잠재력을 실현하는 데 필수다.

IEQNET(Illinois-Express Quantum Network) 연구원 팀이 두 미국 에너지부(DOE) 연구소 간에 로컬 광섬유를 사용한 장거리 양자 네트워크를 성공적으로 배포했다.

이 실험은 양자 정보가 전달되는 입자인 양자 암호화 광자와 고전 신호가 전례 없는 수준의 동기화로 대도시 규모의 거리에서 동시에 전달된 최초의 사례다.

IEQNET 협력에는 DOE 페르미 국립 가속기(Fermi National Accelerator) 및 아르곤 국립 연구소(ANL), Northwestern University 및 Caltech가 포함된다. 그들의 성공은 부분적으로 그 구성원이 클래식 및 양자에서 하이브리드에 이르기까지 광범위한 컴퓨팅 아키텍처를 포괄한다는 사실에서 파생된다.

페르미랩(Fermilab) 양자 과학 프로그램 책임자인 파나지오티스 스펜주리스(Panagiotis Spentzouris)는 “50km 떨어져 있는 두 개의 국립 연구소를 보유하고 양자 네트워크에서 작업하는 기술 역량과 전문성을 공유하는 것은 쉬운 일이 아니다. 이 매우 어렵고 복잡한 문제를 해결하려면 다양한 팀이 필요하다”고 말했다.

그들은 함께 양자 신호와 고전 신호가 동일한 네트워크 광섬유를 통해 공존하고 대도시 규모의 거리와 실제 조건 모두에서 동기화를 달성할 수 있음을 보였다.

기존 컴퓨터가 보안 및 계산 가속화에 필요한 것과 같이 동기화된 작업 및 기능을 실행해야 하는 경우 NTP(네트워크 시간 프로토콜)라는 것에 의존한다. 이 프로토콜은 정보를 전달하는 동일한 네트워크를 통해 시계 신호(clock signal)를 눈 깜짝할 사이에 백만 배 더 빠른 정밀도로 배포한다.

양자 컴퓨팅을 사용하면 요구되는 정밀도가 훨씬 더 높아진다. 고전적인 NTP가 올림픽 주자라면 양자 컴퓨팅은 만화책과 영화에 등장하는 초고속 슈퍼히어로인 플래시다.

얽힌 광자 쌍(멀리서 서로 영향을 미치는 능력)을 확보하기 위해 연구자들은 양자 암호화 광자를 대량으로 생성해야 한다.

어떤 쌍이 얽혀 있는지 알면 동기화가 시작된다. 팀은 유사한 타이밍 신호를 사용하여 Fermilab-Argonne 네트워크 전체의 각 목적지 또는 노드에서 클럭을 동기화했다.

정밀 전자 장치는 거리 및 속도(이 경우 광자는 항상 빛의 속도로 이동함)와 같은 알려진 요인과 온도 변화 또는 진동과 같은 환경에 의해 생성되는 간섭을 기반으로 광섬유에서 이 타이밍 신호를 조정하는 데 사용된다.

두 연구실 사이에 광섬유 가닥이 두 개뿐이기 때문에 연구원들은 얽힌 광자를 운반하는 동일한 섬유로 클럭을 보내야 했다. 양자 신호에서 클록을 분리하는 방법은 다른 파장을 사용하는 것이지만 그 자체로 문제가 있다.

Argonne 컴퓨터 과학자이자 프로젝트 팀원인 Rajkumar Kettimuthu는 “양자 및 고전적 동기화 신호에 적절한 파장을 선택하는 것은 양자 정보에 영향을 미칠 간섭을 최소화하는 데 매우 중요하다. ​한 가지 유추는 광섬유가 도로이고 파장이 차선이라는 것이다. 광자는 자전거 타는 사람이고 클럭은 트럭이다. 조심하지 않으면 트럭이 자전거 도로를 건널 수 있다. 그래서 우리는 트럭이 차선을 유지하는지 확인하기 위해 많은 실험을 수행했다”고 설명했다.

궁극적으로 둘은 적절하게 할당되고 제어되었으며 타이밍 신호와 광자는 Fermilab의 소스에서 배포했다. 광자가 각 위치에 도착하면 Argonne의 초전도 나노와이어 단일 광자 검출기를 사용하여 측정을 수행하고 기록했다.

네트워크는 매우 정확하게 동기화되어 각 위치의 클럭에 5피코초의 시간 차이만 기록했다. 1피코초는 1조분의 1초다.

이러한 정밀도를 통해 과학자들은 실제 조건에서 대도시 거리에 걸쳐 양자 네트워크 작업을 지원하기 위해 얽힌 광자 쌍을 정확하게 식별하고 조작할 수 있다. 이 성과를 바탕으로 IEQNET 팀은 얽힘 스와핑을 시연하기 위한 실험을 수행할 준비를 하고 있다. 이 프로세스는 서로 다른 얽힌 쌍의 광자 간의 얽힘을 가능하게 하여 더 긴 양자 통신 채널을 생성한다.

Spentzouris는 “실제 광섬유를 사용하여 이러한 유형의 우수한 동기화 정확도와 양자 정보와 공존할 수 있는 능력을 달성하기 위한 실제 조건에서의 첫 번째 시연”이라고 말했다.