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구성 요소는 공진기로 구성되어 있다. 이트륨 오르토실리케이트(Yttrium-Orthosilikat)의 얇은 층에 에르븀 원자가 내장된 일종의 거울 캐비닛.
장치에 10만 유로 비용이 든 순수한 기초연구.

물리학자들 ‘양자 모뎀’ 개발
구성 요소는 양자 컴퓨터와 광섬유 네트워크 간의 인터페이스를 형성할 수 있다.

큐비트와 광자 사이의“번역기”:
독일 물리학자들은 양자 특성을 파괴하지 않고 양자 컴퓨터에서 광섬유 네트워크로 또는 그 반대로 정보를 전송하는 새로운 유형의 양자 모뎀용 예비 단계를 개발했다. 초기 테스트에서 규산염 결정의 에르븀(Erbium,원자번호 68) 원자로 만들어진 성분은 이미 효율적인 ‘번역자’로 입증됐다.

▲ 이 구성 요소는 모바일 양자 정보의 정보를 고정 큐비트로 전송할 수 있다. © MPI für Quantenoptik

양자 컴퓨터와 양자 인터넷은 유망한 미래 기술로 간주된다.
양자 시스템을 서로 연결하려면 특별한 인터페이스가 필요하다. 그들은 컴퓨터의 양자비트에서 광섬유 네트워크의 모바일 큐비트 캐리어와 같은 광자로 정보를 전송하고 얽힘이나 중첩과 같은 간섭에 취약한 양자 상태를 잃지 않고 다시 전송해야 한다.
지금까지 주로 나노 구조 결정이 ‘번역자’로 테스트됐지만, 이것들은 낮은 효율성을 가지고 있다. 양자 정보의 일부만 전달됐다.

‘번역자’로 갇힌 에르븀 원자들

독일 가싱(Garching)에 있는 막스 플랑크 양자광학 연구소(Max Planck Institute for Quantum Optics)의 벤쟈민 메르켈(Benjamin Merkel)과 그의 동료들이 양자 모뎀을 개발했다.

그들의 새로운 접근 방식이  관심을 끌고 있다.

그 구성 요소는 공진기로 구성되어 있으며, 이트륨 오르토실리케이트(Yttrium-Orthosilikat)의 얇은 층에 에르븀 원자가 내장된 일종의 거울 캐비닛이다.
규산염은 에르븀 원자를 고정하고 적외선 광자가 충돌할 때 양자 도약으로 반응하도록 강제한다.

▲ 양자 모뎀의 구조 : 크리스탈 디스크에서 적외선에 의해 여기된 에르븀 원자의 양자 전이는 큐비트로 반응해 정보를 전송한다. © Burke et al. / PNAS

“양자 상태의 이러한 변화에 필요한 1,536.4 나노미터의 파장은 광섬유의 손실을 최소화한다”고 연구원들은 설명했다.
동시에 에르븀 원자의 여기는 최대 4밀리 초 동안 유지된다.
이 수명은 양자 정보의 광 전송 일관성을 유지하는 데 필요하다. 양자 정보를 파괴하는 원자의 본질적인 움직임을 차단하기 위해 전체를 영하 271도까지 냉각시킨다.

프로토타입에서 양자 중계기로

초기 테스트에서 양자 모뎀에 대한 이러한 접근 방식은 이전 시스템보다 훨씬 더 효율적임이 입증됐다. 연구원. 즉, 기존의 통신 광섬유 네트워크에서 광자에 대한 고정 양자 정보의 전송은 상대적으로 효율적이다.

▲ 그림 1 실험적 설정. (a) : Fabry-Perot 공진기. 한쪽으로 약 46(8)%의 아웃 커플링 효율을 갖는 안정적인 캐비티 모드(빨간색)는 두 유전체 미러 사이에 에르븀이 도핑된 YSO(주황색)의 19(1) μm 얇은 막을 삽입하여 얻을 수 있다. 굴절률). (b) : 광학 설정. 캐비티는 폐쇄 사이클 냉동기(파란색 상자)에서 2K로 장착된다. 희미한 레이저 필드로 조사되고 YSO의 D1 축을 따라 편광되고 1536.4 nm 주변의 에르븀 도판트(dopants)의 전이와 함께 공명된다. 이것은 음향 광학 변조기(AOM)에 의해 전환되고 초전도 단일 광자 검출기 (SNSPD)에 의해 감지된다. 1564 nm에서 두 번째 레이저 필드는 Avalanche Photodiode (APD)로 감지. 다른 종 방향 공진기 모드와 공진하며 공진기 안정화에 사용할 수 있다. (c) : 시간 경과에 따른 공진기 안정성. (출처:관련 논문 그림1)

다음에는, 물리학자들은 개별 에르븀 원자가 레이저 광을 통해 큐비트로 처리될 수 있도록 실험을 개선하려고 한다. 이것은 양자 모뎀의 전제 조건일 뿐만 아니라 에르븀 원자는 양자 컴퓨터의 핵심 구성 요소인 양자 프로세서로 직접 사용될 수도 있다.

이것은 모뎀이 그러한 양자 터미널과 쉽게 호환되도록 만들 것이다.

비교적 단순한 디자인의 ‘양자 중계기’도 가능하다.
이러한 장치는 중간 증폭기로서 100km마다 광섬유 네트워크에서 증가하는 양자 정보 손실을 보상해야 한다.
Reiserer는 "우리 기술을 기반으로 한 이러한 장치는 10만 유로의 비용이 들지만 광범위한 사용은 비현실적이지 않다"고 말했다.
Garching 양자 모뎀은 여전히 ​​순수한 기초 연구다.
양자 인터넷의 기술적 실현을 발전시킬 잠재력이 있다.
(Physical Review X, 2020; doi : 10.1103 / PhysRevX.10.041025)

출처 : Max Planck Institute for Quantum Optics 

[더사이언스플러스=문광주 기자] "No Science, No Future"

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