ICT/융합

50km 광섬유의 원거리 메모리 간 양자 얽힘 구현

발행일 : 2019 / 02 / 18

중국과학기술대학교 판젠웨이(潘建伟), 바오샤오후이(包小辉), 장챵(张强) 연구팀은 지난(济南)양자기술연구원 및 중국과학원 상하이마이크로시스템·정보기술연구소 연구팀과 공동으로 고광도 라이트와 원자 얽힘원, 저잡음 고효율 단일광자 주파수 변환 기술 및 원거리 단일광자 정밀 간섭 기술 연구를 통해 광섬유 거리가 50km인 두 개의 양자 메모리 얽힘에 성공함으로써 양자 리피터에 기반한 양자 네트워크 구축을 위한 기반을 마련했다. 해당 성과는 “Nature”에 게재되었다.

글로벌 양자 네트워크를 구축함과 아울러 이를 기반으로 양자 통신을 구현하는 것은 양자 정보 연구의 궁극적인 목표이다. 국제학술계에서 광범위하게 이용되고 있는 양자 통신 네트워크 개발 로드맵은 위성에 기반한 자유공간 채널을 통해 광역 대규모 전파를 달성하고 광섬유 네트워크를 통해 도시권 및 도시 간 지면 전파를 달성하는 것이다. 그러나, 광섬유에서의 광신호 지수 감쇠로 인해 최장거리 점대점 지면 안전 통신 거리는 수백 km에 불과하다. 원거리 점대점 전송을 분단 전송으로 변경하고, 양자 리피터 기술을 이용하여 캐스케이드를 진행하면 안전 통신 거리를 대폭 확장시킬 수 있을 뿐만 아니라 전체 양자 네트워크 구축을 가능하게 한다.

그러나, 빛과 원자의 얽힘 밝기가 낮고 원자 메모리 파장과 통신 광섬유의 비매칭 및 원거리 단일광자 간섭과 같은 기술적 어려움으로 기존의 최장거리 광섬유 양자 얽힘은 수 km 정도에 불과했다. 이러한 기술적 어려움을 해결하기 위해, 연구팀은 3개 분야의 기술을 중점적으로 공략했다. 1) 링 캐비티 증강 기술을 이용하여 단일광자와 원자시스템 간 결합을 개선하고 광경로 전송 효율을 최적화함으로써 기존의 빛과 원자 얽힘의 밝기를 1등급 업그레이드시켰다. 2) 원자 메모리가 대응하는 광파장이 광섬유에서의 소모가 약 3.5 dB/km에 달하기에 50km 광섬유에서 광신호가 10억분의 1(10-17.5)로 감쇠되어 양자 통신이 불가능한 문제점에 대해 연구팀은 자체적으로 주기적 분극 니오브산리튬 도파관을 개발하고 비선형 주파수 차이 과정을 통해 메모리의 광파장을 근적외선(795nm)에서 통신 대역(1342nm)으로 변환시켰으며 50km 광섬유를 통과한 후, 백분의 1 이상으로 감쇠되어 기존 효율보다 16배 향상시켰다. 3) 원거리 단일광자 간섭을 달성하기 위해 이중 위상 잠금 솔류션을 설계하여 성공적으로 50km 광섬유 전송 후 광경로 차이를 약 50nm로 제어하였다.

연구팀은 해당 기술을 결합하여 최종적으로 50km 광섬유 전송의 2극관 얽힘을 달성하고 22km 외부 광섬유의 2극관 얽힘을 구현했다. 현재 실험 단계에 처한 2개의 양자 메모리는 동일한 실험실에 위치하고 있다. 향후, 연구팀은 독립된 레이저의 위상 동기화 등 기술을 개발하여 진정한 원거리 2극관 실험을 달성할 예정이다. 해당 연구는 기존의 멀티노드 얽힘 기술(Nature Photonics, 13, 210, 2019), 리드베르크에 기반한 결정적 얽힘 기술(Phys. Rev. Lett. 123, 140504, 2019) 및 100밀리초 스토리지 기술(Nature Photonics. 10, 381, 2016)을 결부하여 양자 리피터와 전체 양자 네트워크의 실험 연구를 크게 촉진시킬 전망이다.

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