일본 연구원, 상온 양자 발전 발표 - 고성능 컴퓨팅 뉴스 분석 | 내부HPC

TUS의 Mark Sadgrove 부교수와 Kaito Shimizu, 오키나와 과학 기술 대학원 대학의 Kae Nemoto 교수도 이 연구에 참여했습니다. 새로 개발된 이 단일 광자 광원은 값비싼 냉각 시스템의 필요성을 없애고 양자 네트워크를 보다 비용 효율적이고 접근 가능하게 만들 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

단일 광자 방출기는 양자 네트워크의 노드 사이에서 양자 비트(또는 큐비트)를 양자 기계적으로 연결합니다. 이는 일반적으로 극도로 낮은 온도에서 광섬유에 희토류 원소를 삽입하여 만들어집니다. 이제 도쿄 과학 대학의 사나카 카오루(Kaoru Sanaka) 부교수가 이끄는 일본 연구진이 실온에서 이터븀이 도핑된 광섬유를 개발했습니다. 값비싼 냉각 솔루션의 필요성을 피함으로써 제안된 방법은 광자 양자 응용을 위한 비용 효율적인 플랫폼을 제공합니다.

양자 기반 시스템은 계산 및 통신 시스템을 위한 더 빠른 컴퓨팅과 더 강력한 암호화를 약속합니다. 이러한 시스템은 얽힌 광자 쌍을 생성하는 큐비트와 단일 광자 생성기로 구성된 상호 연결된 노드를 포함하는 광섬유 네트워크에 구축될 수 있습니다.

이와 관련하여, 고체 물질의 희토류(RE) 원자 및 이온은 단일 광자 발생기로서 매우 유망합니다. 이 재료는 광섬유 네트워크와 호환되며 광범위한 파장에 걸쳐 광자를 방출합니다. 넓은 스펙트럼 범위로 인해 이러한 RE 요소로 도핑된 광섬유는 자유 공간 통신, 섬유 기반 통신, 양자 난수 생성 및 고해상도 이미지 분석과 같은 다양한 응용 분야에서 사용할 수 있습니다. 그러나 지금까지 극저온에서 RE가 도핑된 결정질 물질을 사용하여 단일 광자 광원을 개발해 왔으며, 이로 인해 이를 기반으로 하는 양자 네트워크의 실제 적용이 제한되었습니다.

이터븀 도핑 광섬유를 제작하기 위해 연구진은 섬유의 한 부분을 가열한 다음 인장력을 가하여 직경을 점차적으로 줄이는 열 및 당김 기술을 사용하여 시판되는 이터븀 도핑 광섬유를 테이퍼링했습니다.

테이퍼형 섬유 내에서 개별 RE 원자는 레이저로 자극될 때 광자를 방출합니다. 이러한 RE 원자 사이의 분리는 섬유의 광학적 특성을 정의하는 데 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 개별 RE 원자 사이의 평균 간격이 방출된 광자의 파장에 의해 결정되는 광학 회절 한계를 초과하는 경우, 이러한 원자에서 방출된 빛은 개별 소스가 아닌 클러스터에서 나오는 것처럼 보입니다.

방출된 광자의 특성을 확인하기 위해 연구진은 신호와 지연된 버전 간의 유사성을 평가하는 자기상관이라는 분석 방법을 사용했습니다. 연구진은 자기상관을 사용하여 방출된 광자 패턴을 분석함으로써 비공명 방출을 관찰하고 도핑된 필터의 단일 이테르븀 이온에서 광자 방출에 대한 증거를 추가로 얻었습니다.

방출되는 광자의 품질과 양은 더욱 향상될 수 있지만, 이터븀 원자를 사용하여 개발된 광섬유는 값비싼 냉각 시스템 없이도 제조할 수 있습니다. 이는 상당한 장애물을 극복하고 다양한 차세대 양자 정보 기술의 문을 열어줍니다. “우리는 파장을 선택할 수 있고 냉각 시스템이 필요 없는 저가형 단일 광자 광원을 시연했습니다. 앞으로는 진정한 난수 생성기, 양자 통신, 양자 논리 연산, 회절 한계를 뛰어넘는 고해상도 이미지 분석 등 다양한 차세대 양자 정보 기술을 구현할 수 있습니다.”라고 Sanaka 박사는 결론지었습니다.