ICT/융합

중국과기대, 최초로 완전 광양자 중계 구현

발행일 : 2019 / 07 / 03

최근 중국과학기술대학 판젠웨이(潘建偉) 연구팀은 세계 최초로 완전 광양자 중계기 원리성 검증을 실험적으로 구현함으로써 원거리 광섬유 양자 네트워크 구축에 새 경로를 개척했다. 해당 성과는 “Nature Photonics”에 온라인으로 게재되었다.

원거리 양자통신 과정에서 채널전달의 양자상태는 흔히 통신거리가 증가함에 따라 기하급수적으로 감소한다. 이는 양자통신의 유효 전송거리를 크게 제한한다. 따라서 원거리 양자통신 구현은 줄곧 세계적인 연구과제이다. 기존의 두 가지 주요 해결방법에서 하나는 거의 진공 즉 양자신호 손실이 극히 적은 우주공간에서 위성으로 양자통신 거리를 늘리는 것인데 중국은 2016년에 세계 첫 양자과학실험위성 “뭐쯔호(墨子號)”를 발사해 동 방안의 실행가능성을 성공적으로 검증했다. 다른 하나는 광섬유 네트워크에서 양자중계기를 사용하는 것인데 장거리 광섬유 채널을 여러 개 단거리 채널로 분할해 거리 증가에 따른 양자신호의 기하급수적 감쇠를 없앰으로써 양자통신 거리를 늘린다.

양자중계기의 과학·응용 가치를 감안해 세계 각국은 각축전을 벌이고 있다. 기존의 양자중계기는 얽힘교환, 얽힘정제, 양자저장 등 3개 필수불가결한 기술을 기반으로 한다. 하지만 현재 양자저장 성능의 한계로 실용화 양자중계기 탄생까지는 시간이 필요하다. 완전 광양자 중계방안은 이론적으로 양자저장을 필요로 하지 않는 양자중계기를 구현할 수 있다. 이는 양자중계기를 사용한 원거리 광섬유 양자통신 네트워크 구축에 또 하나의 가능성을 제공한다.

연구팀은 먼저 원시적 완전 광양자 중계방안을 개선함과 아울러 실험적으로 가능성 있는 방안을 설계했다. 해당 방안에 따라 연구팀은 광자 GHZ상태 및 후선택 벨측정을 이용해 서로 다른 채널 간 광자쌍의 임의적 연결을 구현함으로써 양자채널 중 얽힘상태 분배의 성공 확률을 효과적으로 향상시켰다. 그 다음 6개 단독 파라미터 조건에서 전환시킨 2광자 얽힘원을 사용해 12광자 기반 완전 광양자 중계기를 실험적으로 구축하는데 성공했다. 연구팀은 해당 양자중계기의 각 방면 성능을 테스트함과 아울러 얽힘교환 방안과의 비교우위를 실험적으로 검증했다. 실험 결과, 완전 광양자 중계기는 양자상태 전송속도를 효과적으로 향상시킴으로써 양자통신의 전송거리를 늘릴 수 있다.

해당 연구는 완전 광양자 중계기 구현 가능성을 성공적으로 검증했다. 또한 원리적으로 양자중계기 구축시 양자저장기로부터 자유롭게 하는 등 실용화 양자중계기 연구의 새 경로를 개척했다.

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