양자 컴퓨터를 연결하는 더 간단한 방법

새로운 원자 장치는 광섬유 네트워크를 통해 충실도가 높은 양자 정보를 보냅니다.

프린스턴 대학교 공과대학

이미지: 프린스턴 대학의 연구원들은 통신 대역의 빛 파장을 사용하여 양자 컴퓨터를 고충실도 신호와 연결하는 새로운 방법을 만들었습니다.더보기

출처: Sameer A. Khan/Fotobuddy의 사진

연구원들은 장거리에 걸쳐 양자 장치를 연결하는 새로운 방법을 가지고 있습니다. 이는 이 기술이 미래 통신 시스템에서 역할을 수행할 수 있도록 하는 데 필요한 단계입니다.

오늘날의 전통적인 데이터 신호는 도시나 바다 전체에서 증폭될 수 있지만 양자 신호는 그럴 수 없습니다. 이는 간격을 두고 반복되어야 합니다. 즉, 양자 중계기라고 불리는 특수 기계에 의해 중지, 복사 및 전달됩니다. 많은 전문가들은 이러한 양자 중계기가 미래 통신 네트워크에서 핵심적인 역할을 하여 보안을 강화하고 원격 양자 컴퓨터 간의 연결을 가능하게 할 것이라고 믿고 있습니다.

8월 30일 Nature에 발표된 프린스턴 연구는 양자 중계기를 구축하는 새로운 접근 방식의 기초를 자세히 설명합니다. 크리스탈에 이식된 단일 이온에서 방출되는 통신용 빛을 보냅니다. 연구의 주요 저자인 Jeff Thompson에 따르면 이러한 노력은 수년에 걸쳐 이루어졌습니다. 이 작업은 광자 설계와 재료 과학의 발전을 결합했습니다.

다른 선도적인 양자 중계기 설계는 가시 스펙트럼의 빛을 방출하는데, 이는 광섬유를 통해 빠르게 저하되며 장거리 이동 전에 변환되어야 합니다. 새로운 장치는 호스트 결정에 주입된 단일 희토류 이온을 기반으로 합니다. 그리고 이 이온은 이상적인 적외선 파장에서 빛을 방출하기 때문에 그러한 신호 변환이 필요하지 않으며, 이는 더 간단하고 강력한 네트워크로 이어질 수 있습니다.

이 장치는 두 부분으로 구성됩니다. 소수의 에르븀 이온이 도핑된 텅스텐산 칼슘 결정과 J자형 채널에 에칭된 나노 크기의 실리콘 조각입니다. 특수 레이저로 펄스를 발생시키면 이온이 결정을 통해 빛을 방출합니다. 그러나 결정 꼭대기에 붙어 있는 반도체 조각인 실리콘 조각은 개별 광자를 포착하여 광섬유 케이블로 유도합니다.

이상적으로 이 광자는 이온의 정보로 인코딩될 것이라고 Thompson은 말했습니다. 또는 더 구체적으로 말하면 스핀이라는 이온의 양자 특성에서 비롯됩니다. 양자 중계기에서는 멀리 있는 노드에서 신호를 수집하고 간섭하면 스핀 사이에 얽힘이 발생하여 도중에 손실이 발생하더라도 양자 상태를 종단 간 전송할 수 있습니다.

Thompson 팀은 몇 년 전에 처음으로 에르븀 이온을 사용하여 작업을 시작했지만 첫 번째 버전에서는 노이즈가 너무 많은 다른 결정을 사용했습니다. 특히, 이 소음으로 인해 방출된 광자의 주파수가 스펙트럼 확산으로 알려진 과정에서 무작위로 뛰어다니게 되었습니다. 이는 양자 네트워크를 작동하는 데 필요한 섬세한 양자 간섭을 방지했습니다. 이 문제를 해결하기 위해 그의 연구실에서는 전기 및 컴퓨터 공학 부교수인 Nathalie de Leon, 선도적인 고체 재료 과학자이자 프린스턴 대학의 Russell Wellman Moore 화학 교수인 Robert Cava와 협력하여 단일 호스트가 될 수 있는 새로운 재료를 탐색하기 시작했습니다. 소음이 훨씬 적은 에르븀 이온.

그들은 후보 물질 목록을 수십만 개에서 수백 개, 그 다음에는 수십 개, 그 다음에는 세 개로 선별했습니다. 세 명의 결선 진출자 각각이 테스트하는 데 반년이 걸렸습니다. 첫 번째 자료는 충분히 명확하지 않은 것으로 나타났습니다. 두 번째는 에르븀의 양자 특성이 좋지 않게 만드는 원인이었습니다. 하지만 세 번째인 텅스텐산칼슘은 딱 맞았습니다.

새로운 물질이 양자 네트워크에 적합하다는 것을 입증하기 위해 연구원들은 광자가 두 가지 경로 중 하나를 무작위로 통과하는 간섭계를 구축했습니다. 하나는 수 피트 길이의 짧은 경로이고, 다른 하나는 22마일 길이의 긴 경로(스풀링된 광학 경로)입니다. 섬유). 이온에서 방출된 광자는 긴 경로 또는 짧은 경로로 이동할 수 있으며, 약 절반의 시간 동안 연속된 광자는 반대 경로를 택하여 동시에 출력에 도달합니다.