강력한 양자 컴퓨터와 양자 시뮬레이터의 구현을 위한 노력이 계속되면서 고전 인터넷에 대한 양자 아날로그를 달성하기 위한 병렬 프로그램이 있습니다.
이 새로운 양자 네트워크는 극도로 안전하고 양자로부터 안전한 사이버 보안을 제공할 것이며, 결국 양자 정보의 단일 요소인 큐비트 교환과 양자 컴퓨터 언어에 전념하게 될 것입니다. 실제로 이는 클라우드 컴퓨팅에서 기존 프로세서가 연결되는 것처럼 다양한 양자 컴퓨터를 연결할 수 있는 네트워크를 제공할 것입니다.
미래의 양자 인터넷 인프라를 위한 최우선 선택은 실제로 빛이 제한된 흡수로 매우 먼 거리를 이동할 수 있는 거의 유비쿼터스 채널을 제공하는 기존 통신 네트워크입니다. 이러한 낮은 흡수율과 높은 속도로 인해 빛은 고전적이든 양자적이든 정보 전달체로서 훌륭한 후보입니다.
밝은 레이저 광은 인터넷에서 고전적인 정보를 전송하는 데 쉽게 사용될 수 있으며, 광섬유의 빛 감쇠는 광섬유 내에 10km마다 배치된 광 증폭기에 의해 보상됩니다. 그러나 양자 정보의 전달, 즉 양자 통신에는 훨씬 더 정교한 수단이 필요합니다.
양자 비트는 여전히 빛, 특히 단일 광자로 인코딩되지만, 이 양자 인코딩은 양자 역학의 규칙으로 인해 증폭될 수 없습니다. 양자 인코딩을 증폭하려고 하면 광자에 포함된 정보가 심각하게 손상됩니다. 따라서 기존 네트워크에 사용되는 증폭기는 양자 비트에 사용할 수 없습니다. 이는 근본적으로 새로운 것을 의미합니다. technology 인터넷의 양자 버전인 양자 중계기를 구축하려면 필요합니다.
광 증폭기가 먼 위치 간의 연결을 보장하는 것처럼 양자 중계기는 서로 얽힘을 분산시켜 장거리 통신을 가능하게 합니다.
얽힘은 고전적 수단을 통해 재현할 수 없는 상관 관계를 보여주는 두 개체의 독점적인 양자 속성이며 양자 통신의 주요 구성 요소 중 하나입니다. 예를 들어 양자 중계기 시스템의 두 노드 사이의 양자 순간 이동을 통해 양자 정보를 전송하는 데 사용할 수 있습니다.
두 노드 사이의 원격 얽힘을 설정하는 한 가지 방법은 직접 전송을 통해서입니다. 즉, 얽힌 광자 쌍이 생성될 수 있으며, 하나는 그대로 유지되고 다른 하나는 다른 위치로 이동합니다. 이는 후자는 광섬유 전송과 호환되어야 하고, 전자는 양자 메모리에 저장되어 빛과 물질이 얽혀야 함을 의미합니다.
이제 양자 메모리 간의 장거리 얽힘을 달성하려면 이러한 노드 중 여러 개를 쌍으로 연결하기 위한 양자 중계기 세트가 필요합니다. 이러한 양자 중계기 노드에 대한 유망한 아키텍처는 SPDC(자발적 하향 변환)로 알려진 프로세스인 광자 쌍의 자발적 생성과 외부 양자 메모리의 결합에 의존합니다.
이것이 ICFO 연구원들이 취한 접근 방식입니다. 에 게재된 새로운 연구에서 arXiv ICFO Hugues de Riedmatten의 ICREA 교수가 이끄는 사전 인쇄 서버인 Jelena Rakonjac, Samuele Grandi, Soren Wengerowsky, Dario Lago-Rivera 및 Felicien Appas는 수십 킬로미터의 광섬유에 걸쳐 광물질 얽힘의 전송을 보여줍니다.
그들의 실험에서 그들은 광자 쌍을 생성했는데, 하나는 1436nm의 통신 파장에서 방출되고 다른 하나는 606nm에서 방출되는데, 이는 희토류 원자로 도핑된 특수 결정에서 구현된 사용된 고체 양자 메모리와 호환됩니다.
그런 다음 바르셀로나의 대도시 네트워크를 활용하여 Castelldefels의 ICFO에서 Hospitalet de Llobregat의 CTTI(Telecommunication Centre of Catalunya)까지 연결된 두 개의 광섬유에 시스템을 연결했습니다. 두 센터를 연결하여 50km의 고리를 만들어 광자를 바르셀로나 시내까지 보내고 다시 ICFO로 보냈습니다.
이를 통해 연구진은 50km를 왕복한 후에도 실험실에서 생성된 빛이 큰 감소 없이 양자 특성을 유지한다는 사실을 입증했습니다. 이는 광섬유 케이블에서 수십 km를 이동할 때 광자 큐비트가 결맞음을 나타내지 않음을 보여줍니다. 수도권에서도요. 간단히 말해서, 양자 빛은 연구실을 떠났고, 궁극적으로 그 근원지에서 다시 감지되었습니다.
그러나 양자 통신을 위해서는 원격 위치 간의 얽힘을 사용하고 검증해야 하며, 얽힌 광자가 시공간적으로 잘 분리된 위치에서 감지됩니다. 이 방향으로 이동하면서 연구원들은 새로운 노드를 포함하도록 네트워크를 확장했습니다. 이번에는 바르셀로나에 있는 건물인 i2CAT 재단에 위치하며, ICFO에서 로컬 광섬유 네트워크를 통해 약 44km, 직선으로 17km 떨어져 있습니다.
거기에 그들은 광섬유 중 하나를 통해 들어오는 광자의 도착을 측정하기 위해 통신 감지기를 설치했으며 다른 광섬유는 변환기에 연결되어 감지기의 전기 신호를 빛으로 바꾸어 광섬유 라인을 통해 전송했습니다.
이렇게 하면 광자가 약 17km 떨어진 곳에서 감지되었음에도 불구하고 정보가 높은 정밀도로 ICFO로 다시 전달될 수 있습니다. 더욱이 그들은 동일한 변환기를 사용하여 이 기본 네트워크의 두 노드 간에 동기화 신호를 보냈습니다. 여기서 양자 상관 관계의 생성 및 감지는 두 개의 독립적이지만 연결된 노드 간에 완전히 분리되었습니다.
이 실험은 연구원들이 가벼운 물질 얽힘을 생성하기 위해 사용하는 시스템을 검증했으며 장거리 양자 통신을 가능하게 하는 기술인 양자 중계기 노드 실현을 위한 선구적인 후보 중 하나임이 입증되었습니다. 원리 증명 시연은 이미 연구실에서 실현되었으며, 그룹은 현재 메모리와 소스 모두의 성능을 개선하기 위해 노력하고 있습니다.
또한 연구원들은 Cellnex(Xarxa Roberta de Catalunya)와 파트너십을 맺었으며 QNetworks 및 EuroQCI 스페인 프로젝트의 맥락에서 원격 양자 메모리의 얽힌 상태를 실현하기 위한 새로운 실험실을 Collserola 타워에 사용할 수 있습니다.
양자 메모리 간의 얽힘 분포를 위한 장거리 백본 구현은 ICFO가 주요 파트너로 있는 양자 인터넷 구현을 위한 유럽의 선도적인 노력인 양자 인터넷 연합(QIA)의 주요 목표 중 하나이기도 합니다.
본 연구의 결과, 즉 대도시 지역에 배치된 광섬유를 통한 가벼운 물질 얽힘의 전송은 소스 및 메모리 양자 노드를 핵심으로 하는 본격적인 양자 인터넷 실현을 향한 초기 디딤돌입니다. " ICFO 연구원이자 이번 연구의 공동 저자인 Samuele Grandi는 이렇게 말했습니다.
ICFO Hugues de Riedmatten의 ICREA 교수는 다음과 같이 결론을 내렸습니다. “광물질 얽힘은 양자 통신의 핵심 자원이며 실험실에서 여러 번 시연되었습니다. 설치된 광섬유 네트워크에서 이를 시연하는 것은 바르셀로나 지역에서 양자 중계기 기술을 위한 테스트베드를 실현하고 장거리 광섬유 기반 네트워크를 위한 기반을 마련하기 위한 첫 번째 단계입니다.”