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- 칩에 완전히 통합된 양자 광원이 얽힌 광자를 생성
- 생성된 광자 큐비트는 97% 이상의 얽힘률 보여
- 양자 광원은 양자 통신 및 양자 컴퓨팅을 위한 완전히 새로운 가능성을 열어
- 이러한 광자 마이크로칩을 사용해 새로운 형태의 양자 컴퓨터도 생각 가능

자체 양자 소스를 갖춘 최초의 마이크로칩
칩에 완전히 통합된 양자 광원은 얽힌 광자를 생성한다.

하나의 칩에 있는 모든 것:
처음으로 물리학자들은 자체 양자 광원이 있는 양자 칩을 개발했다. 외부 레이저 소스 없이 얽힌 광자를 생성할 수 있다. 이것은 인듐 인화물로 만들어진 양자점 레이저에 의해 가능해지며, 그 광자는 링 모양의 도파관으로 만들어진 특수 필터를 통과한다. 이것은 노이즈를 차단하고 얽힘을 제공한다. 이 새로운 기술은 "Nature Photonics"에서 팀이 설명하는 것처럼 광자 양자 프로세서를 더 작고, 저렴하고, 더 다재다능하게 만들 수 있다. 

▲ 물리학자들이 얽힌 광자를 생성하는 레이저를 직접 집적한 양자칩을 개발했다. © 포토닉스 연구소/ 라이프니츠 대학교 하노버

양자 통신, 통합 포토닉스 및 양자 기반 컴퓨팅은 얽힘 및 중첩을 통해 상호 작용하고 상태를 변경하는 입자를 기반으로 한다. 이를 위해서는 일반적으로 양자 정보를 전송하는 얽힌 광자가 필요하다. 그러나 지금까지는 문제가 있었다. 올바른 레이저 기술이 없었다. 광자 애플리케이션을 위한 양자 광원은 너무 커서 광자 칩에 직접 통합할 수 없거나 너무 부정확하고 전력이 부족했다.

그러나 최근에는 레이저 소형화에 약간의 진전이 있었다. 연구원들은 실리콘에서 직접 나노레이저를 성장시키고 2023년 초에 높은 선택성과 출력을 가진 최초의 광학 마이크로레이저를 개발했다.

통합 양자 우물을 위한 두 가지 주요 장애물

이제 처음으로 물리학자들은 칩에 완전히 통합된 얽힌 양자 입자 소스를 제시했다. 전기적으로 여기된 레이저 통합 양자 광원은 1밀리미터 미만의 마이크로칩에 완벽하게 맞으며 고정밀 주파수 얽힘 큐비트 상태를 방출할 수 있다. 이를 달성하기 위해 하노버 대학(Leibniz Universität Hannover)의 하탐 마흐무들루(Hatam Mahmudlu)와 그의 동료들은 두 가지 주요 과제를 극복해야 했다.

첫 번째 문제는 재료다. "지금까지는 모든 양자 기능을 구현하는 데 사용할 수 있는 재료 플랫폼이 없었다"고 팀은 기술했다. 한편으로 칩은 간섭에 극도로 민감한 광자를 얽히고 안내하고 조작해야 한다. 반면에 통합 레이저에는 정밀하게 조정 가능한 대량의 광자를 생성할 수 있는 반도체 재료가 필요하다.

두 번째 문제는 민감한 양자비트의 차폐다. "큐비트는 노이즈에 매우 취약하다. 그렇기 때문에 칩은 통합 필터의 도움으로 완전히 잡음이 없는 레이저 필드에 의해 구동되어야 한다”고 Mahmudlu는 설명했다.

양자점 및 3개의 링 공진기

물리학자들은 이제 두 가지 문제를 모두 해결했다. 그들은 반도체 인듐 인화물을 칩 통합 레이저 소스로 선택했다. 이 물질의 전기적으로 여기된 양자점은 이미 많이 알려진 레이저에 필요한 유도 방출을 생성할 수 있다. 그러나 이러한 인듐 인화물 나노레이저의 출력과 범위는 매우 낮다. Mahmudlu와 그의 팀은 레이저에 다중 실리콘 질화물(Si3N4) 피드백 루프를 추가하여 이 문제를 해결했다.

이러한 링 모양의 마이크로 캐비티는 광자 방출을 증폭함과 동시에 주파수 필터 역할을 한다. 결과적으로 시스템은 양자 시스템을 위해 정밀하게 조정된 광자를 생성하는 동시에 일치하지 않는 광자로 인해 발생하는 레이저 생성 노이즈를 제거한다. 이 Vernier 필터의 끝에서 또 다른 링 루프는 생성된 광자가 쌍으로 얽히도록 한다. "결합된 시스템은 광자 쌍을 위한 양자 주파수 빗을 형성한다"고 물리학자들은 설명했다. 생성된 광자는 주파수의 중첩 상태 형태로 양자 정보를 저장하고 전송한다.

▲ 광자 양자 칩의 구조: 기판 1은 인듐 파이오스파이드로 구성되어 레이저를 형성한다. 그 다음에는 필터 역할을 하는 링 모양의 도파관과 광자 쌍이 얽힌 세 번째 링이 있다. © Raktim Haldar/ Michael Kues

초기 테스트에서는 칩에 통합된 새로운 양자 광원이 안정적으로 작동하는 것으로 나타났다. "우리는 초당 8,200이라는 매우 높은 쌍 생성 속도를 달성했다." 을 보였다. Ma생성된 광자 큐비트는 97% 이상의 얽힘률hmudlu와 그의 동료들은 "양자 간섭의 상태 신뢰성과 가시성은 외부 레이저보다 훨씬 더 작았다"고 말했다.

양자 네트워크 및 양자 컴퓨터용 모바일 구성 요소

물리학자들에 따르면 그들의 양자 광원은 양자 통신 및 양자 컴퓨팅을 위한 완전히 새로운 가능성을 열어준다. "이 휴대 가능하고 강력한 시스템은 양자 네트워크를 위한 실용적이고 대량 생산 가능한 구성 요소로 매우 쉽게 사용할 수 있다"고 그들은 설명했다. 작은 크기와 견고한 구조로 인해 양자 위성에도 사용할 수 있다.

또한 이러한 광자 마이크로칩을 사용해 새로운 형태의 양자 컴퓨터도 생각할 수 있다. 하노버 라이프니츠 대학의 수석 저자인 미샤엘 퀴스(Michael Kues)는 "우리는 양자 광원이 곧 프로그래밍 가능한 광자 양자 프로세서의 기본 부분이 될 것이라고 상상할 수 있다"고 말했다.
(Nature Photonics, 2023; doi: 10.1038/s41566-023-01193-1)
출처: Leibniz-Universität Hannover

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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