오스트리아 인스브루크 대학과 프랑스 파리-사클레 대학의 물리학자들은 처음으로 장거리 양자 네트워크의 모든 주요 기능을 단일 시스템으로 결합했습니다. 원리 증명 실험에서 그들은 이 시스템을 사용하여 50km의 거리에 걸쳐 소위 리피터 노드를 통해 양자 정보를 전송했습니다. 도달 범위 내에.
양자 네트워크에는 두 가지 기본 구성 요소가 있습니다. 즉, 노드로 알려진 양자 시스템 자체와 이들 사이에 하나 이상의 안정적인 연결이 있습니다. 이러한 네트워크는 복잡한 양자 계산의 "부하를 공유"하기 위해 여러 양자 컴퓨터의 양자 비트(또는 큐비트)를 연결하여 작동할 수 있습니다. 또한 매우 안전한 양자 통신에도 사용할 수 있습니다.
그러나 양자 네트워크를 구축하는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 이러한 네트워크는 종종 얽힌 단일 광자를 전송하여 작동합니다. 즉, 양자 상태는 다른 양자 입자의 상태와 밀접하게 연결되어 있습니다. 불행하게도 단일 광자의 신호는 장거리에서 쉽게 손실됩니다. 양자 정보의 운반체는 결맞음(decoherence)으로 알려진 프로세스에서 양자 특성을 잃을 수도 있습니다. 따라서 이러한 신호를 증폭하는 것이 필수적입니다.
망설임이나 일탈이 없는 반복
Quantum repeater는 이러한 부스트를 제공할 수 있지만 직접적인 방식은 아닙니다. 양자 역학의 규칙은 얽힌 상태의 복사를 제한하기 때문에 리피터는 단순히 수신한 신호를 복사하여 다음 노드로 전달할 수 없습니다. 대신 소위 양자 메모리에 정보를 저장한 다음 벨 상태 측정(BSM)이라는 프로세스를 사용하여 전송해야 합니다.
완전한 기능을 갖춘 양자 중계기는 특정 실제 요구 사항도 준수해야 합니다. 첫째, 양자 신호는 통신에 사용되는 파장에 있어야 하므로 너무 많은 손실 없이 광섬유를 통해 전송될 수 있습니다. 둘째, 양자 메모리의 저장 시간은 얽힘을 생성하는 데 필요한 시간을 초과해야 합니다. 마지막으로 프로세스의 각 단계는 결정론적이어야 합니다. 즉, 성공적인 각 단계 후에 신호가 생성되어야 합니다.
매한가지로
에서 설명하는 최신 작품 피지컬 리뷰 레터스 (Physical Review Letters), 단일 실험에서 세 가지 실제 요구 사항을 모두 결합합니다. 사건의 초기 순서에서 두 개의 갇힌 칼슘 이온은 각각 광자를 방출하여 두 개의 얽힌 광자-이온 쌍을 형성합니다. 여기서 포획된 이온은 큐비트로 작동하고 양자 상태는 양자 네트워크에 분산됩니다. 이 쌍의 광자는 1550nm의 통신 파장으로 변환되고 별도의 25km 길이 광섬유를 통해 두 개의 다른 노드로 전송됩니다. 따라서 노드 사이의 총 거리는 50km입니다.
광자 중 하나가 지정된 노드에 도달할 때마다 얽힌 이온의 상태가 이온의 보호된 메모리 상태에 저장됩니다. 그런 다음 시스템은 두 번째 광자(두 번째 이온과 얽힌)를 다른 노드로 보내려고 반복적으로 시도합니다. 두 노드에서 광자가 감지되면 실험자는 BSM을 수행하여 이온 상태를 각각의 얽힌 광자로 전달합니다.
이 프로토콜을 테스트하기 위해 연구원들은 44분 동안 720회 반복하여 원격 노드 사이에서 광자를 얽히려는 33회의 시도에서 2053회의 성공을 기록했습니다. 높은 성공률처럼 들리지 않을 수도 있지만 이온 메모리의 존재로 인해 얽힘 가능성이 2배 더 높아졌습니다. 이는 두 검출기가 두 광자를 모두 성공적으로 검출하고 이온 메모리 상태의 디코히어런스에 의해서만 제한되는 한계까지 추가 개선이 가능할 수 있음을 나타냅니다.
네트워크를 더욱 확장
연구원들은 또한 그들의 방법이 얼마나 추진될 수 있는지 모델링했습니다. 모든 다른 요소를 고려하여 그들은 17개의 이온 기반 리피터 노드 네트워크가 800km 떨어진 이온 사이에 얽힘을 설정할 수 있음을 보여주었습니다. 수석 연구원에 따르면 벤 래니언 인스브루크 대학의 연구팀은 현재 연구실에 있는 광섬유를 풀고 얽힘을 캠퍼스 밖으로 보내 기존의 상용 광섬유 네트워크로 보낼 계획입니다. "우리의 비전은 실험실에서 벗어나 도시와 국가 간에 물질과 빛의 양자 네트워크 구축을 시작하는 것입니다."라고 그는 말합니다. 물리 세계.
새로운 양자 중계기는 확장 가능한 양자 인터넷을 가능하게 할 수 있습니다.
로널드 핸슨이번 연구에 참여하지 않은 네덜란드 QuTech의 물리학자는 양자 중계기에 필요한 여러 요소를 결합한 것이기 때문에 결과가 중요하다고 설명했다. 특히 그는 실험이 노드 내부의 다중 큐비트 작동, 효율적인 큐비트-광자 인터페이스 및 통신 호환성을 보여주며 각 요소가 높은 충실도에서 작동하여 우수한 전체 성능(가장 관련성 높은 메트릭)을 제공한다고 언급합니다. 완전히 작동하는 양자 인터넷은 아직 멀었지만 Hanson은 이 시연이 포획된 이온을 기반으로 하는 기능적 양자 반복기를 향한 단계라고 믿습니다.
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- 출처: https://physicsworld.com/a/quantum-repeater-transmits-entanglement-over-50-kilometres/
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