중국 과학자들이 처음으로 다중 모드 다중화 양자 릴레이 기본 링크를 실현하고, 다중 모드 다중화 양자 통신의 가속 효과를 입증했고 두 개의 고체 상태 메모리의 양자 얽힘을 실현했습니다. 이 작업은 고효율, 대규모 양자 네트워크 구축을 위한 완전히 새로운 실현 방안을 제공했습니다.
이 연구는 중국 과학 기술 대학의 궈 광찬 학자팀의 리 촨펑, 죠우 중취앤 연구 그룹에 의해 완성되었으며, 그 결과는 베이징 시간 6월 2일 23:00에 “Nature”저널에 표지 논문 형식으로 발표되었습니다.
장거리 양자 얽힘 전송은 대규모 양자 통신 네트워크를 구축하기위한 기본 작업입니다. 양자 통신 채널에서 최고의 캐리어인 광자는 광섬유에 의해 쉽게 흡수되거나 산란되어 기하 급수적으로 붕괴됩니다. 예를 들어 광섬유를 통해 초당 100억 개의 광자를 1,000km 거리까지 방출하면 300년이나 지나서 겨우 하나의 광자를 수신할 수 있습니다. 즉, 광섬유를 통한 광자의 직접 전송 거리는 수백 킬로미터로 제한됩니다. 이런 이유로 과학자들은 장거리 양자 얽힘 전송을 실현하기 위해 양자 릴레이를 제안했습니다. 즉, 장거리 전송은 여러 개의 단거리 기본 링크로 나뉘고, 먼저 기본 링크의 인접한 두 노드 사이에 예측 가능한 양자 얽힘을 설정한 다음 얽힘 스위칭 기술을 통해 다중 연결을 합니다. 이로부터 양자 얽힘 거리를 점진적으로 확대합니다.
양자 릴레이의 핵심은 광자를 저장하지만 양자 상태를 변경하지 않는 양자 메모리에 달려 있습니다. 인접 메모리가 성공적으로 얽힌 후 다시 다음 단계의 얽힘 교환을 수행합니다.
사실, 양자 상태의 취약성 때문에 양자를 저장하고 읽는 과정에서 양자 상태를 변경하지 않는 것은 매우 어렵습니다.
지금까지 이미 냉각 원자 가스와 단일 양자 시스템에서 양자 릴레이의 기본 링크를 실현했습니다. 그러나 모두 발사형 양자 메모리를 채택했습니다. 발사형 메모리의 얽힌 광자는 메모리에서 직접 방출되며 구조가 간결하지만 호환성이 떨어집니다. 그래서 확정적인 양자 광원 및 다중 모드 다중화는 두 개의 양자 릴레이에서 핵심적인 통신 가속 기술을 동시에 만족 시키기는 어렵습니다. 확정적인 양자 광원에는 다중 광자 노이즈가 없으며 방출 효율이 거의 100 %에 달할 수 있습니다. 다중 모드 다중화와 기존 광통신의 다중화 기술의 원리는 유사합니다. 즉, 서로 다른 시간 또는 주파수 모드의 광자가 통신 속도를 높이기 위해 병렬로 사용됩니다.
흡수형 양자 메모리를 사용하면 이러한 문제를 극복할 수 있습니다. 흡수형 양자 메모리 기반의 양자 릴레이 구조에서 양자 광원과 양자 메모리는 서로 독립적입니다. 그래서 이 구조는 확정적 양자 광원 및 다중 모드 다중화와 동시에 호환될 수 있습니다. 이는 현재 이론적으로 가장 빠른 양자 릴레이 솔루션입니다.
하나의 기본 링크는 두 개의 분리된 양자 노드와 중간 지점 벨 상태 측정 장치로 구성됩니다. 양자 노드에는 “견우”, “직녀”, 양자 메모리 이외에도 각각의 양자 광자쌍이 있습니다.
실험에서 모든 얽힌 광자쌍마다 하나의 광자가 양자 메모리에 의해 캡처되고 저장됩니다. 각각 얽힌 광자 쌍의 또 다른 광자는 광섬유를 통해 동시에 중간 지점인”오작교”까지 전송이 되어서 벨 상태 측정을 진행하고. 측정을 통해 얽힘이 생성됩니다. 따라서 “견우”와 “직녀”는 “오작교”를 빌려서 만남 없이도 성공적으로 얽힘을 생성시킬 수 있습니다.
논문의 제일 공동 저자인 류샤오와 후쥔은 다음과 같이 말했습니다. 우리는 4개 시간 모드의 병렬 다중화를 성공적으로 시연했으며 4배 빠른 얽힘 분포율을 얻었습니다. 실험 검증과 벨 측정을 통해서 두 노드 간의 얽힘 충실도는 80 %를 초과할 것으로 예측됩니다.
리 촨펑 교수는 “다음 단계에서 연구팀은 계속해서 양자 기억 지표를 개선하고 확정적 얽힘 광원을 사용할 것입니다. 이로 인해 얽힘 분포 속도를 크게 높이고 광섬유의 직접 전송을 능가하는 실용적인 양자 중계기를 실현하기 위해 노력할 것입니다.”라고 말했습니다.
출처 : 펑파이신문
