2분 30초 읽기
빛을 초저온 원자구름에 저장, 꺼내 재생해 정보 판독.
루비듐 원자 사용 중공섬유로 제어, 3마이크로 초 동안 이동.
양자 정보 전송에 응용가능.

저장한 빛을 컨베이어 벨트 처럼 이동시켜
원자 구름에 저장된 빛의 제어 전송 성공

이동식 빛 저장 :
물리학자들이 차가운 원자 구름에 일시적으로 빛을 저장한 다음 이 저장된 빛을 컨베이어 벨트처럼 운반하는 데 성공했다. 이 수송 후에, 빛은 고효율로 회복되고 판독될 수 있었다.
과학자들에 따르면 이것은 양자 컴퓨터와 양자 정보 전송에 새로운 가능성을 열어 준다.

▲ 이 장치에서 빛은 초저온 원자 구름에 저장돼 중공섬유로 약간 이동된다. © Patrick Windpassinger 워킹그룹

광섬유 라인, 광학 칩 또는 양자 통신에 상관없이 빛은 데이터 전송 및 처리를 위한 매체로서 점점 더 중요한 역할을 하고 있다. 그러나 이렇게 하려면 빛 정보를 저장하고 필요할 때 호출 할 수 있는 방법이 있어야 한다. 이러한 빛 저장은 빛을 강하게 늦추거나 심지어 중지시키는 특수 크리스탈을 사용하여 달성 할 수 있다.

또 다른 방법은 초저온 원자 구름에 저장하는 것이다.
빛이 입사 되면 원자의 집단적 들뜨기로 이어지며, 이를 통해 일시적으로 소위 DSP( Dark-State-Polaritonen 암흑-상태-편광자)의 빛-물질-결합의 준 입자를 형성한다.
그런 다음 원자가 원래 상태로 돌아가면 광자를 방출하므로 원래 제공된 빛 정보도 방출된다. 그러나 지금까지 이러한 빛을 저장하는 원자 구름은 대부분 정체돼 있다.

"가방에 차단된 빛"

이제 마인츠 대학교(Johannes Gutenberg University Mainz)의 패트릭 뷘드패싱어(Patrick Windpassinger)가 이끄는 팀이 이러한 빛 저장을 움직이는 데 성공했다.
일종의 광학 컨베이어 벨트처럼, 그들은 원자 구름의 직경보다 더 큰 거리에 걸쳐 통제된 방식으로 그들 안에 저장된 빛과 함께 초저온 원자를 운반한다.
1.2mm에 불과한 이 거리는 여전히 매우 짧지만 연구자들에 따르면 원리는 확장될 수 있다.

Windpassinger는 "우리는 빛을 가방에 저장했다. 가방에 가두고 싶으면 가방이 차가운 원자 구름으로 구성되어 있을 뿐이다"고 설명한다. "우리는 이 가방을 약간 운반한 다음 다시 빛을 꺼냈다.”
팀이 실험에서 발견했듯이 이 운반 과정은 저장된 빛의 일관성과 보관 효율성에 최소한의 영향을 미친다.

원자 구름, 레이저 함정과 광 중공섬유(中空纖維, hollow fiber)*

광 컨베이어 벨트는 다음과 같이 작동한다.
저장 매체는 초저온 루비듐 -87 원자로 교차되는 레이저 빔으로 만든 광학 트랩에 고정된다.
이 ‘트랩 레이저’의 표적 조작을 통해 연구원들은 원자 구름을 수정으로 만든 얇은 광 중공 섬유로 조작한다. 그런 다음 레이저 펄스를 사용하여 빛 정보를 이 구름으로 보내면 저장된다. 루비듐 원자는 빛 에너지를 흡수하고 양자 상태를 집단 들뜨기로 변경한다.
* 중공섬유:내부에 기공(氣孔)을 가진 마카로니 모양처럼 구멍이 뚫린 섬유. 중공사라고도 불림

결정적인 단계는 다음과 같다.
물리학자들은 광학 격자 사이의 주파수 차이를 연속적으로 생성해 광학 격자의 레이저를 조작한다. 결과적으로 이러한 레이저 빔은 중공 섬유를 통해 원자 구름을 운반하는 광학 컨베이어 벨트처럼 작동한다.

과학자들은 “우리는 0.49~1.46mm의 전송 거리에 해당하는 최대 3마이크로초의 전송 시간을 사용했다”고 말했다.

추가 실험에서 Windpassinger와 팀은 초당 0.498m로 일정한 속도로 작동하는 광학 컨베이어 벨트에 원자 구름을 로드했다. 그동안 그들은 반복적으로 빛의 펄스를 클라우드에 저장하고 이 광학 정보를 다시 읽었다.

운송에도 불구하고 견고하고 효율적

이 수송에도 불구하고 연구원들은 비교적 높은 효율로 원자 구름에 저장된 빛을 복구할 수 있었다. 판독은 움직이지 않는 고정된 원자 구름보다 효율성이 거의 떨어지지 않았다.
"전반적으로 우리는 저장 효율성과 서비스 수명 측면에서 높은 수준의 견고성을 관찰했다"고 과학자들은 보고했다.
컨베이어 벨트를 사용하면 상대적으로 많은 수의 원자가 가열되거나 저장 과정에서 손실되지 않고 매우 정확하게 운반 및 위치를 지정할 수 있다.

이 빛 저장 장치의 이동 거리는 여전히 몇 밀리미터로 제한된다.
그러나 더 많은 원자, 레이저 파장의 변화 및 더 얇은 중공섬유는 저장 시간과 운송 거리를 증가시킬 수 있다고 물리학자들은 말한다. 그들은 주로 양자 컴퓨터 또는 광 라인의 양자 중계기에서 이러한 모바일 빛 저장시스템에 대한 응용 프로그램을 보고 있다.

미래에는 다양한 읽기 및 쓰기 섹션을 지닌 빛에 대해서 ‘달리기 트랙’ 메모리와 같은 원리에 기반한 새로운 유형의 양자 장치를 개발하는 것이 가능할 것이다.
(Physical Review Letters, 2020; doi : 10.1103 / PhysRevLett.125.150501)

출처 : Johannes Gutenberg University Mainz

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]