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Jun 07, 2023

양자 컴퓨터는 곧 더 먼 거리에 연결될 수 있습니다

Bartlomiej Wroblewski/iStock 구독함으로써 귀하는 당사의 이용약관 및 정책에 동의하게 되며 언제든지 구독을 취소할 수 있습니다. 양자 전송이 도시나 바다에서는 증폭될 수 없다는 것을 알고 계셨습니까?

Bartlomiej Wroblewski/iStock

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양자 전송은 기존 데이터 신호처럼 도시나 바다에서 증폭될 수 없다는 것을 알고 계셨습니까? 대신 양자 중계기라는 특수 장치를 사용해 주기적으로 반복해야 합니다.

미래 통신망에 활용될 기술을 위해 연구진이 먼 거리에서 양자소자를 연결하는 새로운 방법을 개발했다.

중계기는 먼 곳에 있는 양자 컴퓨터를 연결하고 미래에 통신 네트워크의 보안을 강화하는 데 중요해질 준비가 되어 있기 때문에 프린스턴 연구진은 8월 30일 Nature 저널에 발표된 연구에서 양자 중계기를 구축하는 새로운 접근 방식을 자세히 설명했습니다.

이 아이디어에는 크리스탈에 삽입된 하나의 이온 덕분에 통신 가능한 빛을 전송하는 중계기가 포함됩니다.

다른 널리 사용되는 특정 양자 중계기 시스템에서 방출되는 가시 스펙트럼은 광섬유를 통해 빠르게 저하되며 먼 거리로 전송되기 전에 변환되어야 합니다.

논문의 주요 저자인 Jeff Thompson에 따르면, 호스트 결정에 이식된 단일 희토류 이온이 새로운 장치의 기초 역할을 합니다. 또한 이 이온은 완벽한 적외선 파장의 빛을 생성하므로 신호를 변환할 필요가 없으므로 네트워크가 더 간단하고 안정적으로 만들어질 수 있습니다.

"이 노력은 수년에 걸쳐 이루어졌습니다. 이 작업은 광자 설계와 재료 과학의 발전을 결합했습니다."라고 Thompson은 언론 성명에서 말했습니다.

장치의 디자인은 두 가지 구성요소, 즉 J자형 채널로 에칭된 나노 크기의 실리콘 조각과 소수의 에르븀 이온이 도핑된 칼슘 텅스텐산염 결정으로 구성됩니다. 이온은 독특한 레이저로 펄스를 받으면 결정을 통해 빛을 방출합니다.

그러나 크리스탈 팁에 부착된 작은 반도체 휩인 실리콘 구성 요소는 개별 광자를 가두어 광섬유 케이블로 보냅니다.

팀은 이상적으로는 이온의 정보가 이 광자에 내장될 것이라고 설명합니다. 또는 더 정확하게 말하면 이온의 스핀, 즉 양자 속성에서 비롯됩니다. 먼 노드의 스핀 사이의 얽힘은 해당 노드의 신호를 모으고 간섭함으로써 양자 중계기에서 생성되어 전송 손실에도 불구하고 양자 상태의 종단 간 전송을 허용합니다.

팀은 몇 년 전에 에르븀 이온과 관련된 연구를 시작했지만 이전 버전에 사용된 결정은 상당한 소음을 발생시켰습니다. "이 소음으로 인해 방출된 광자의 주파수가 스펙트럼 확산으로 알려진 과정에서 무작위로 뛰어다니게 되었습니다."

수십만 개의 예상 자료 중에서 목록을 수백 개, 12개, 3개로 줄였습니다. 3개의 최종 후보에 대한 테스트는 각각 6개월이 걸렸습니다. 팀은 이상적인 결과를 얻기 위해 텅스텐산 칼슘 결정에 초점을 맞췄습니다.

연구팀은 두 개 이상의 광원을 병합하여 간섭 패턴을 생성하는 간섭계를 사용하여 새로운 물질의 에르븀 이온이 구별할 수 없는 광자를 방출하고 "신호가 하이파이 임계값보다 훨씬 높은" 것을 입증했습니다.

이번 연구가 중요한 한계점을 통과하는 동안, 팀은 이제 양자 상태가 에르븀 이온의 스핀에 저장될 수 있는 기간을 연장하기 위해 노력하고 있습니다. 이 그룹은 이제 더욱 철저하게 정제되고 양자 스핀 상태를 방해하는 오염 물질이 적은 텅스텐산 칼슘을 생산하기 위해 노력하고 있습니다.

전체 연구는 8월 30일 Nature에 게재되었으며 여기에서 확인할 수 있습니다.

추상적인

고체 상태의 원자 결함은 장거리 양자 통신을 위한 양자 중계기 네트워크의 핵심 구성 요소입니다1. 최근 광섬유에서 장거리 전송을 가능하게 하는 통신 대역 광학 전이를 위해 희토류 이온, 특히 Er3+에 상당한 관심이 있었습니다. 그러나 희토류 이온을 기반으로 한 중계기 노드의 개발은 광학 스펙트럼 확산으로 인해 방해를 받아 구별할 수 없는 단일 광자 생성이 불가능해졌습니다. 여기에서는 비극성 사이트 대칭, 핵 스핀의 낮은 결맞음 및 배경 희토류 이온이 없는 물질인 CaWO4에 Er3+를 주입하여 광학 스펙트럼 확산을 크게 줄였습니다. 큰 Purcell 계수를 갖는 나노광자 공동에 결합된 얕은 주입 이온의 경우, 우리는 150kHz의 단일 스캔 광학 선폭과 63kHz의 장기 스펙트럼 확산을 관찰합니다. 둘 다 Purcell 강화 방사 선폭 21kHz에 가깝습니다. 이를 통해 36km 지연선 후에 측정된 가시성 V = 80(4)%로 연속적으로 방출된 광자 사이의 Hong-Ou-Mandel 간섭을 관찰할 수 있습니다. 우리는 또한 스핀 완화 시간 T1,s = 3.7s 및 T2,s > 200μs를 관찰하며, 후자는 핵 스핀 대신 결정의 상자성 불순물에 의해 제한됩니다. 이는 단일 Er3+ 이온을 사용하여 통신 대역 양자 중계기 네트워크를 구축하는 데 있어 주목할 만한 단계를 나타냅니다.