두 입자의 얽힘(상태가 분리되는 현상)을 포함한 양자 역학의 효과
두 개의 독립적인 연구자 그룹이 발표했습니다.양자 네트워크에서 데이터 전송에 필요한 단일 광자의 소스를 생성합니다. 막스 플랑크 양자 광학 연구소와 뮌헨 기술 대학의 독일 연구자들은 실리콘 결정에 내장된 에르븀 원자를 사용하여 현대 통신 네트워크에 해당하는 주파수의 빛을 생성했습니다.
매사추세츠 공과대학의 엔지니어들연구소는 생산 규모를 쉽게 조정할 수 있는 페로브스카이트 나노결정을 사용합니다. 그러나 극단적인 냉각이 필요하지 않으며 실온에서 작동할 수 있습니다.
양자 네트워크란 무엇입니까?
양자 컴퓨터는 이론적으로 수행할 수 있습니다.세상에서 가장 강력한 슈퍼컴퓨터로도 풀 수 없는 일들. 재료 및 복잡한 시스템의 속성을 모델링하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 진정으로 의미 있는 결과를 얻으려면 양자 정보 노드(분산 양자 프로세서)를 연결하는 효율적인 방법이 필요합니다.
왜냐하면 양자컴퓨터는 근본적으로고전적인 방법과 다르므로 정보를 전송하는 데 사용되는 일반적인 방법은 직접 적용할 수 없습니다. 양자 정보는 더 복잡합니다. 기존 컴퓨터에서처럼 0 또는 1 값만 저장하는 대신 큐비트는 0과 1 값을 동시에 취할 수 있습니다(중첩이라고 알려진 현상).
이상적인 솔루션은 양자 네트워크입니다.양자 역학적 특성을 보존하면서 정보 큐비트의 직접 교환이 수행되는 화합물. 양자 네트워크는 도파관으로 알려진 특수 상호 연결을 통과하는 광자와 처리 노드를 연결합니다.
이러한 연결의 장점은양자 장치는 직접 통신하여 더 빠른 데이터 처리를 가능하게 합니다. 또한 이러한 네트워크는 안전한 데이터 전송에 사용할 수 있습니다. 공격자가 광자에 "인코딩된" 정보를 가로채려고 하면 입자의 양자 속성이 손실되고 데이터를 사용할 수 없게 됩니다.
실리콘 결정의 에르븀 원자
실리콘 결정을 기반으로 하는 양자 공진기. 이미지: MCQST
독일 엔지니어들이 광학 장치를 개발했습니다.에르븀 원자가 도핑된 실리콘 결정을 기반으로 하는 양자 네트워크용 공진기. 이 개발은 많은 수의 에르븀 원자가 실리콘 격자에서 함께 클러스터되지 않도록 하기 위해 상대적으로 낮은 온도(약 500°C)를 사용하여 개별 희토류 원자를 결정질 실리콘에 통합하는 동일한 그룹의 이전 연구를 따릅니다.
결과가 나온 새로운 연구에서Optica 저널에 발표된 연구원들은 그러한 결정을 사용하여 원하는 특성을 가진 단일 광자를 생성할 수 있음을 보여주었습니다. 실리콘 결정에 배치된 에르븀 원자는 우수한 광학 특성을 가지고 있다고 연구 노트의 저자는 말했습니다. 그들은 1536nm 파장의 빛을 방출합니다. 이것은 전통적인 광섬유 네트워크에서 데이터를 전송하는 데 사용되는 빛과 거의 동일합니다.
엔지니어들은 도핑된 공진기를 개발했습니다.거울을 포함하지 않는다는 점에서 기존 디자인과 다른 에르븀. 대신 결정질 실리콘에 나노미터 크기의 규칙적인 구멍 패턴이 사용됩니다. 이는 전체 공진기의 길이가 수 미크론에 불과하고 에르븀 원자가 수십 개만 포함되어 있음을 의미합니다. 공진기를 광섬유에 연결하고 레이저로 원자를 여기시킴으로써 연구원들은 원하는 특성을 가진 개별 광자를 방출할 수 있음을 입증했습니다.
연구자들은 두 가지 주요 이점을 지적합니다.그들은 이것이 에르븀 첨가 실리콘을 "양자 네트워크 구축을 위한 이상적인 후보"로 만든다고 말합니다. 첫째, 반도체 생산에 널리 사용되는 고전적인 소재를 기반으로 하기 때문에 필요한 부품을 대규모로 생산하기 위해 새로운 복잡한 생산 시설을 건설할 필요가 없습니다.
둘째, 시스템은 상대적으로높은(양자 기술의 경우) 온도 - 약 8K(-265°C). 절대 영도 근처에서 작동하는 시스템과 달리 이러한 조건은 액체 헬륨 저온 유지 장치에서 냉각하여 생성하기가 더 쉽습니다.
단일 광자 소스로서의 페로브스카이트
페로브스카이트 나노결정. 이미지: MIT
MIT 연구원들이 대안을 제시하다양자 네트워크를 만드는 재료는 페로브스카이트다. 이 물질은 이미 태양 전지에서 실리콘에 대한 잠재적 대안으로 널리 자리 잡았습니다. Nature Photonics 저널에 발표된 연구에서 엔지니어들은 동일한 광자 스트림을 생성할 수도 있음을 보여주었습니다.
연구를 위해 물리학자들은납 암염 페로브스카이트의 나노입자. 광전지는 이 물질의 박막을 사용하며 나노입자 형태로 다른 콜로이드 반도체 나노입자와 구별되는 매우 높은 극저온 방사율을 가지고 있습니다. 빛이 더 빨리 방출될수록 출력 신호가 양자 네트워크에 필수적인 잘 정의된 파동함수를 가질 가능성이 높아집니다.
그들이 광자인지 확인하기 위해실제로 원하는 속성을 생성하는 연구원은 표준 테스트를 수행했습니다. 두 광자 사이의 특별한 종류의 간섭인 Hong-Wu-Mandela 효과를 감지하는 것으로 구성됩니다. 실험 결과 광원이 양자광을 방출하는 것을 확인했다.
연구원들은 지금까지 설치가 이루어지지 않았다고 지적합니다.완벽하고 간섭이 발생하지만 그들은 페로브스카이트를 광학 공동에 배치함으로써 이를 극복할 수 있다고 확신합니다. 이는 다른 물질과 함께 작동하는 효과입니다.
동시에 연구원들은 이점에 주목합니다.생산 용이성 기술. “다른 소스가 일관된 이유는 가장 순수한 재료로 원자 단위로 차례로 만들어지기 때문입니다. 따라서 확장성과 재현성이 매우 낮습니다.”라고 이 연구의 공동 저자인 Alexander Kaplan은 말합니다. 대조적으로, 페로브스카이트 나노입자는 용액으로 만들어지고 단순히 기판 재료에 적용됩니다. 또한 이러한 소스는 실온에서 작동하며 냉장이 필요하지 않습니다.
제안된 두 기술은 아직양자 네트워크 구축을 위한 기성 솔루션입니다. 그러나 이것은 올바른 방향으로 나아가는 단계입니다. 전 세계 여러 연구 그룹이 대체 기술을 개발하고 상대적으로 저렴하고 확장하기 쉬운 솔루션을 찾으려고 노력하고 있다는 사실은 곧 양자 네트워크가 현실이 될 수 있음을 시사합니다.
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표지 이미지: C. Hohmann, MCQST