얽힌 이온이 장거리 기록을 세움 – Physics World

빛과 광섬유를 사용하여 A지점에서 B지점으로 정보를 전송하는 것은 오늘날 표준 관행이지만 "전송 및 운반" 단계를 완전히 건너뛰고 정보를 즉시 읽을 수 있다면 어떨까요? 양자 얽힘 덕분에 이 아이디어는 더 이상 소설이 아니라 지속적인 연구 대상이 되었습니다. 이온과 같은 두 개의 양자 입자를 얽힘으로써 과학자들은 한 입자를 측정하는 것이 고전적으로 불가능한 방식으로 다른 입자에 대한 정보를 제공하는 깨지기 쉬운 결합 상태로 만들 수 있습니다.

오스트리아 인스부르크 대학(University of Innsbruck)의 연구원들은 이제 230m 떨어져 있는 광학 공동(약 520개의 축구 경기장에 해당)에 갇혀 있고 XNUMXm 길이의 광섬유를 통해 연결된 두 개의 칼슘 이온에 대해 이 까다로운 얽힘 과정을 수행했습니다. 이 분리는 갇힌 이온에 대한 기록이며 이러한 양자 입자를 기반으로 하는 양자 통신 및 계산 시스템에서 이정표를 세웁니다.

양자 네트워크를 향하여

양자 네트워크는 양자 통신 시스템의 중추입니다. 그들의 매력 중 하나는 계측에서 내비게이션에 이르는 응용 프로그램에 대한 정밀 감지 및 시간 측정을 향상시키면서 전례 없는 컴퓨팅 성능 및 보안으로 세상을 연결할 수 있다는 것입니다. 이러한 양자 네트워크는 광자 교환을 통해 연결된 양자 컴퓨터(노드)로 구성됩니다. 이 교환은 빛이 우주를 통해 태양에서 우리 눈으로 이동하는 방식과 유사하게 자유 공간에서 수행될 수 있습니다. 또는 인터넷, 텔레비전 및 전화 서비스를 위해 데이터를 전송하는 데 사용되는 것과 유사한 광섬유를 통해 광자를 보낼 수 있습니다.

포획된 이온을 기반으로 하는 양자 컴퓨터는 두 가지 이유로 양자 네트워크 및 양자 통신을 위한 유망한 플랫폼을 제공합니다. 하나는 그들의 양자 상태가 상대적으로 제어하기 쉽다는 것입니다. 다른 하나는 이러한 상태가 노드 간 및 노드에서 전달되는 정보를 방해할 수 있는 외부 교란에 강하다는 것입니다.

갇힌 칼슘 이온

최신 연구에서 트레이시 노섭 및 벤 래니언 인스브루크에서 폴 트랩(Paul trap)에 칼슘 이온을 가두었습니다. 이온에 힘을 가하여 트랩 중앙에 가두는 전기장 구성입니다. 칼슘이온은 전자구조가 단순하고 노이즈에 강하다는 점에서 매력적이다. “그들은 양자 네트워크에 필요한 기술과 호환됩니다. 또한 쉽게 포획되고 냉각되기 때문에 확장 가능한 양자 네트워크에 적합합니다.”라고 설명합니다. 마리아 갈리, 작업에 참여한 Innsbruck의 박사 과정 학생은 에 설명되어 있습니다. 피지컬 리뷰 레터스 (Physical Review Letters).

연구원들은 두 개의 분리된 광 공동 내부에 하나의 포획된 이온을 배치하는 것으로 시작했습니다. 이러한 구멍은 거울 쌍 사이의 공간으로 거울 사이에서 반사되는 빛의 주파수를 정밀하게 제어하고 조정할 수 있습니다(위 이미지 참조). 이 엄격한 제어는 이온의 정보를 광자의 정보에 연결하거나 얽히게 하는 데 중요합니다.

두 공동(네트워크의 노드) 각각에서 이온-광자 시스템을 얽힌 후 연구자들은 얽힌 시스템을 특성화하기 위해 측정을 수행했습니다. 측정이 얽힘을 파괴하는 동안 연구원들은 이 단계를 최적화하기 위해 이 프로세스를 여러 번 반복해야 했습니다. 각각 칼슘 이온 중 하나와 얽힌 광자는 별도의 건물에 위치한 두 노드를 연결하는 광섬유를 통해 전송됩니다.

정보 교환

연구원들은 자유 공간에서 광자를 옮길 수 있었지만 그렇게 하면 여러 노이즈 소스로 인해 이온-광자 얽힘을 방해할 위험이 있었습니다. 이와는 대조적으로 광섬유는 손실이 적고 광자를 보호하고 편광을 유지하여 노드 사이를 더 오래 분리할 수 있습니다. 그러나 그들은 이상적이지 않습니다. “우리는 양극화에서 약간의 드리프트를 관찰했습니다. 이러한 이유로 우리는 20분마다 광섬유의 편광 회전을 특성화하고 수정했습니다.” 갈리가 말한다.

두 광자는 광자 벨 상태 측정(PBSM)으로 알려진 프로세스를 통해 각각의 이온-광자 시스템의 정보를 교환합니다. 이 상태 선택적 감지 기술에서는 광자의 파동함수가 중첩되어 XNUMX개의 광검출기로 측정할 수 있는 간섭 패턴을 생성합니다.

광검출기에서 측정된 신호를 판독함으로써 연구자들은 광자에 의해 전달되는 정보(편광 상태)가 동일한지 여부를 알 수 있습니다. 일치하는 쌍의 결과(수평 또는 수직 편광 상태)는 결과적으로 원격 이온 사이의 얽힘 생성을 예고합니다.

성공적인 얽힘을 위한 절충

연구원들은 이온들 사이에 얽힘을 생성하기 위해 몇 가지 요소의 균형을 맞춰야 했습니다. 하나는 광자의 최종 공동 측정을 수행하는 시간 창입니다. 이 기간이 길수록 연구자들이 광자를 탐지할 기회가 더 많아지지만 이온이 덜 얽혀 있다는 단점이 있습니다. 이것은 그들이 동시에 도착하는 광자를 잡는 것을 목표로 하고 더 긴 시간 창을 허용하면 실제로 다른 시간에 도착하는 광자를 감지할 수 있기 때문입니다.

XNUMX노드 양자 네트워크 데뷔

따라서 연구원들은 주어진 시간 창에서 얼마나 많은 얽힘을 달성했는지 주의 깊게 확인해야 했습니다. 1마이크로초의 시간 창에서 그들은 실험을 13만 번 이상 반복하여 555개의 감지 이벤트를 생성했습니다. 그런 다음 각 노드에서 독립적으로 이온 상태를 측정하여 88%의 상관관계를 확인했습니다. "우리의 최종 측정 단계는 실제로 두 이온의 상태를 측정하여 예상되는 상태 상관 관계가 있는지 확인하는 것입니다."라고 Galli는 말합니다. "이것은 우리가 두 이온 사이에 얽힘을 만드는 데 성공했음을 확인시켜줍니다."

스프린트에서 마라톤까지

두 개의 축구 경기장은 불안정한 양자 얽힘 상태를 만들기에는 먼 거리처럼 보일 수 있지만 인스브루크 팀은 더 큰 계획을 가지고 있습니다. 연구진은 이온 사이에서 정보를 전달하는 데 사용되는 광자의 파장을 증가시키는 등의 변화를 통해 마라톤보다 훨씬 더 긴 50km의 거리를 달릴 수 있기를 희망합니다.

다른 연구 그룹은 이전에 중성 원자를 사용하여 훨씬 더 먼 거리에서 얽힘을 입증했지만 이온 기반 플랫폼에는 특정 이점이 있습니다. Galli는 포획된 이온으로 수행된 양자 게이트의 충실도가 원자에서 수행된 양자 게이트의 충실도보다 더 나은데, 주로 이온 간의 상호 작용이 원자 간의 상호 작용보다 더 강하고 안정적이며 이온의 결맞음 시간이 훨씬 더 길기 때문입니다.

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• 출처: https://physicsworld.com/a/entangled-ions-set-long-distance-record/