양자 얽힘 정보는 50km 길이의 광자, 포획된 이온을 기반으로 하는 양자 중계기를 통해 전송할 수 있습니다. 지난 50년 동안 통신망은 우리 사회를 완전히 바꿔놓았고 통신망이 없는 삶은 이제 상상하기조차 어렵습니다. 과학자들은 최근 양자 기술의 발전으로 인해 양자 장치를 네트워크에 연결할 수 있는 가능성에 대해 흥분하고 있습니다. 장거리 양자 통신은 기존 네트워크에서는 사용할 수 없는 기능의 가능성을 예고합니다. 양자 네트워크는 단일 광자 수준에서 신호를 교환하여 얽힘 및 기타 양자 효과를 최대한 활용합니다. 결과적으로 이러한 시스템의 주요 고장 원인은 광섬유 감쇠입니다.
그러나 두 개의 분산된 메쉬 노드를 직접 얽히게 하는 양자 반복기로 알려진 중간 네트워크 노드 그룹을 사용하여 광자 손실을 피할 수 있습니다. 32m 떨어진 두 개의 메쉬 노드의 얽힘은 최근 다이아몬드의 질소 공극 중심을 기반으로 하는 양자 반복기를 사용하여 달성되었습니다. 포획된 이온을 양자 반복기로 사용하여 오스트리아 인스부르크 대학의 Victor Krutyanskiy와 동료들은 25km 길이의 얽힌 링크 두 개를 50km 길이의 단일 링크로 결합할 수 있었습니다. 이 거리는 실제 세계에서 기능적인 양자 네트워크에 필요한 일종의 거리입니다.
Krutyanskiy와 그의 동료들의 성공의 중요성은 기능적 양자 반복 장치가 가져야 하는 세 가지 이상적인 특성을 고려할 때 이해할 수 있습니다. 첫 번째는 양자 메모리에 액세스하는 것입니다[5]. 광자 손실 및 기타 하드웨어 부적합으로 인해 원격 얽힘을 생성하는 방법이 명확하지 않습니다. 모든 단거리 연결이 동시에 성공해야만 종단간 연결이 가능하다면 전체 성공률은 기하급수적으로 작을 것입니다. 양자 메모리는 단거리 얽힘을 저장하여 실패한 연결이 얽힘 시도를 반복할 수 있도록 합니다.
얽힘의 "추가"는 원하는 세 번째 속성에 따라 달라집니다. 고정된 양자 메모리와 광섬유를 따라 이동하는 "비행" 광자는 리피터 덕분에 얽히게 됩니다. 새로운 메모리를 사용하여 프로세스를 반복하여 두 번째 비행 광자를 생성합니다. 두 개의 서로 다른 원격 네트워크 노드에 두 개의 광자를 전송하여 두 개의 개별 얽힌 링크가 생성됩니다. 그런 다음 리피터는 얽힘 스와핑이라는 프로세스를 사용하여 이러한 링크를 결합합니다. 종단 간 얽힘의 귀중한 전체 성공률을 유지하려면 조각 모음 프로세스가 확률적이기보다는 결정론적이어야 합니다.
이 세 가지 기능은 Krutyanskiy와 그의 팀에 의해 단일 시스템으로 결합되었습니다. 또한 양자 네트워크를 실용화하기에 적합한 거리인 50km 떨어진 두 네트워크 노드 A와 B 사이에 얽힘을 배치했습니다. 연구팀은 40개의 칼슘 XNUMXCa+ 이온을 포착하고 이를 XNUMX개의 양자 메모리로 사용함으로써 이 위업을 달성할 수 있었다. 두 이온은 먼저 바닥 상태로 초기화된 다음 리피터 프로토콜의 일부로 레이저 펄스로 반복적으로 조명됩니다. 이온은 레이저로부터 충분한 에너지를 받아 더 높은 에너지 상태로 올라갑니다. 이온의 후속 분해 결과 각 이온은 광자를 방출하여 이온-광자 쌍을 얽힌 상태로 유지합니다.
광자는 방출된 광자의 원래 파장을 후속 이동을 위해 적합한 통신 파장으로 변환하는 장치인 파장 변환기에 수집됩니다. 그런 다음 두 광자는 25km 길이의 광섬유 스풀을 사용하여 노드 A와 B로 보내집니다. 그런 다음 이온-광자 얽힘은 중계기에 의해 보유하고 있는 두 이온에 대해 결정론적 얽힘 교환을 수행하여 50km에 걸친 광자-광자 얽힘으로 변환됩니다.
반복적으로 얽힘 분포를 반복하고 노드 A와 B에서 광자를 측정함으로써 상태 단층 촬영은 최종 광자-광자 상태를 결정하고 공유된 광자-광자 상태가 얼마나 충실한지에 대한 통계적 척도를 생성할 수 있습니다.
완벽한 이상적인 상황은 단위 충실도로 표현됩니다. 노드 A와 B는 9,2Hz의 성공률과 시도당 9,2의 성공 확률로 얽힘을 달성할 수 있었고, 그 결과 충실도는 104였습니다. 이 충실도는 광자 얽힘에 필요한 0,72보다 훨씬 높습니다. 연구진은 중계기를 사용하지 않고 광자-광자 얽힘을 0,5km 거리에 걸쳐 분포시키는 실험도 진행했다. 리피터 지원 기술을 사용하는 이점은 50Hz의 낮은 성공률로 명확하게 입증됩니다. 실험의 작동 거리에서 이 이점은 중요하지 않은 것처럼 보일 수 있습니다. 그러나 6,7km 이상의 거리에서는 중계기가 없으면 성공률이 급격히 떨어집니다.
분석에서 인스브루크 팀은 여러 개의 결합된 리피터가 800km의 종단 간 거리에 걸쳐 있기 위해 실험 설정이 얼마나 더 좋아야 하는지 고려했습니다. 놀랍게도 많은 기능에 대한 변경이 거의 필요하지 않습니다. 여러 리피터를 상호 연결하는 데 필요한 비결정적 광자 얽힘 수정자에서 가장 중요한 개선이 필요합니다. 연구자들은 가까운 미래에 개선이 가능한 이유에 대해 강력한 사례를 제시합니다.
최근 양자 통신의 흥미로운 실험 사례가 발생했습니다. 이러한 연구에서 입증된 장거리 기능에 비추어 양자 네트워크가 이론적 개념에서 실제 응용 프로그램으로 빠르게 발전하고 있음이 분명합니다. 전통적인 네트워크인 인터넷에서 배운 두 가지 중요한 교훈을 기억하는 것이 매우 중요합니다. 우선 좋은 장비를 갖추는 것만으로는 글로벌 규모의 커뮤니케이션이 가능하지 않습니다. 그러나 강력한 소프트웨어 아키텍처가 필요합니다. 둘째, 좋은 소프트웨어는 성숙하는 데 오랜 시간이 걸립니다. 하드웨어와 소프트웨어를 동시에 실행하기 위해 물리학자와 기술자는 협력하여 맞춤형 링크 계층 프로토콜을 만들고 미래의 양자 인터넷을 위한 완벽한 아키텍처를 만듭니다.
출처: 물리.aps.org/articles/v16/84
Günceleme: 23/05/2023 12:58