아이오와 대학교 물리천문학부 연구팀은 최근 소스에서 나오는 양자 광원에 의해 출력되는 광자 흐름을 '정화'할 것으로 예상되는 새로운 이론적 솔루션을 제안하여 보다 효율적이고 안전한 광자 양자 컴퓨팅 및 양자 통신을 위한 길을 열었습니다.
기존 광자 양자 기술에서 단일 광자 소스는 양자 회로의 핵심이지만 안정적이고 순수한 단일 광자 흐름을 얻는 데는 항상 두 가지 주요 기술적 병목 현상이 발생했습니다. 첫 번째는 레이저 산란입니다. 실험에서 원자는 일반적으로 레이저를 조사하여 원자를 자극하여 광자를 방출하지만 동시에 광학 회로의 "표유 전류"에 해당하는 추가 산란 광자가 도입되어 시스템 효율이 감소합니다. 두 번째 문제는 원자 자체의 산발적인 다중 광자 방출 사건에서 비롯됩니다. 원자가 한 번에 여러 광자를 방출하면 "단일 파일을 통과"해야 하는 광자 흐름이 중단되어 광학 양자 회로의 정확성과 제어 가능성이 약화됩니다.
연구의 주요 발견은 원자가 때때로 다광자를 방출할 때 이러한 다광자의 스펙트럼 색상 분포와 파형이 이를 자극하는 레이저 광 자체와 매우 유사하다는 것입니다. 이러한 유사성으로 인해 연구자들은 원래 "잡음"으로 간주되었던 구성 요소인 레이저 산란을 적극적으로 활용할 수 있음을 깨닫게 되었습니다. 미세 제어를 통해 레이저 산란광과 다중 광자 방출은 공간과 위상에서 서로 간섭하여 불필요한 과잉 광자를 상쇄할 수 있습니다. 연구팀이 제시한 이론적 모델은 적절한 조건에서 이 "잡음 보조"가 다중 광자 구성 요소를 크게 억제하고 더 순수한 단일 광자 출력을 유지할 수 있음을 보여줍니다.
광자 양자 컴퓨팅에서 정보는 광자와 같은 큐비트에 의해 전달됩니다. 기존 전자 비트와 비교하여 광자는 속도, 전송 손실 및 간섭 방지 측면에서 장점이 있습니다. 따라서 많은 스타트업에서는 이를 미래 양자 컴퓨팅 및 양자 통신을 위한 중요한 기술 경로 중 하나로 간주하고 있습니다. 단일 광자 소스의 제어 가능성과 순도는 시스템의 확장성 및 보안과 직접적인 관련이 있습니다. 주문된 단일 광자 스트림은 대규모 라인 통합을 용이하게 할 뿐만 아니라 전송 중에 정보가 도청되거나 변조될 위험도 줄여줍니다.
논문의 교신 저자이자 아이오와 대학 물리학 및 천문학과 조교수인 Ravitej Uppu는 레이저 조사 원자의 입사각 및 빔 모양과 같은 매개변수를 제어함으로써 과잉 광자를 이론적으로 정확하게 상쇄할 수 있어 나머지 광자 흐름을 "매우 순수"하게 만들 수 있다고 지적했습니다. 이 연구는 이론적으로 레이저 산란과 다광자 방출이라는 두 가지 주요 장애물을 극복했으며, 광자 양자 회로를 가속화하고 차세대 양자 컴퓨터와 보안 통신 네트워크를 촉진하는 중요한 단계로 간주됩니다. 다음 단계에서 팀은 이 이론을 실험실에서 검증하고 미래 광자 양자 장치에 대한 실현 가능한 엔지니어링 구현 경로를 제공할 계획입니다.
보고서에 따르면 "잡음 보조 단일 광자 소스 정화"라는 제목의 이 연구는 Optica Quantum 저널에 게재되었으며 국방부 연구 및 엔지니어링 차관실과 아이오와 대학교 연구 부사장실의 자금 지원을 받았습니다. 연구진은 실험적 검증이 순조롭게 진행된다면 이 아이디어가 다양한 광자 양자 플랫폼에 적용돼 고충실도 양자 네트워크 구축을 위한 새로운 기술 도구를 제공할 수 있을 것으로 기대한다고 말했다.
/ScitechDaily에서 편집됨