양자 정보 기술은 양자 역학에 기반한 새로운 정보 기술로, 물리적 정보를 인코딩, 계산 및 전송합니다.양자 시스템양자 정보 기술의 개발과 응용은 우리를 "양자 시대"로 이끌고, 더 높은 업무 효율성, 더 안전한 통신 방식, 더 편리하고 친환경적인 생활 방식을 실현할 것입니다.
양자 시스템 간의 통신 효율은 빛과의 상호작용 능력에 달려 있습니다. 하지만 광학적 특성을 최대한 활용할 수 있는 물질을 찾는 것은 매우 어렵습니다.
최근 파리 화학 연구소와 카를스루에 공과대학의 연구팀은 희토류 유로퓸 이온(Eu³⁺)을 기반으로 하는 분자 결정이 광학 양자 시스템에 적용될 수 있는 잠재력을 가지고 있음을 공동으로 입증했습니다. 이들은 이 Eu³⁺ 분자 결정의 초협대역 발광이 빛과의 효율적인 상호작용을 가능하게 하며, 양자 광학 분야에서 중요한 가치를 지닌다는 것을 발견했습니다.양자 통신그리고 양자 컴퓨팅.
그림 1: 희토류 유로퓸 분자 결정 기반 양자 통신
양자 상태는 중첩될 수 있으므로 양자 정보도 중첩될 수 있습니다. 하나의 큐비트는 0과 1 사이의 다양한 상태를 동시에 나타낼 수 있어 데이터를 병렬로 일괄 처리할 수 있습니다. 결과적으로 양자 컴퓨터의 연산 능력은 기존 디지털 컴퓨터에 비해 기하급수적으로 증가할 것입니다. 그러나 연산 작업을 수행하기 위해서는 큐비트의 중첩 상태가 일정 시간 동안 안정적으로 유지되어야 합니다. 양자 역학에서 이러한 안정 기간을 결맞음 수명이라고 합니다. 복잡한 분자의 핵 스핀은 주변 환경의 영향이 효과적으로 차단되기 때문에 긴 결맞음 수명을 갖는 중첩 상태를 이룰 수 있습니다.
희토류 이온과 분자 결정은 양자 기술에 사용되어 온 두 가지 시스템입니다. 희토류 이온은 뛰어난 광학적 및 스핀 특성을 가지고 있지만, 양자 컴퓨팅 시스템에 통합하기는 어렵습니다.광학 장치분자 결정은 통합하기는 쉽지만, 발광 대역이 너무 넓어 스핀과 빛 사이의 안정적인 연결을 설정하기 어렵습니다.
본 연구에서 개발된 희토류 분자 결정은 레이저 여기 하에서 Eu³⁺ 이온이 핵 스핀에 대한 정보를 담은 광자를 방출할 수 있다는 점에서 광학과 핵 스핀의 장점을 절묘하게 결합합니다. 특정한 레이저 실험을 통해 효율적인 광학/핵 스핀 인터페이스를 생성할 수 있습니다. 이를 기반으로 연구진은 핵 스핀 레벨 어드레싱, 광자의 코히런트 저장, 그리고 최초의 양자 연산 실행을 구현했습니다.
효율적인 양자 컴퓨팅을 위해서는 일반적으로 여러 개의 얽힌 큐비트가 필요합니다. 연구진은 위의 분자 결정 내의 Eu³⁺ 이온이 미세 전기장 결합을 통해 양자 얽힘을 형성할 수 있음을 입증했으며, 이를 통해 양자 정보 처리가 가능해졌습니다. 이 분자 결정은 여러 희토류 이온을 포함하고 있기 때문에 비교적 높은 큐비트 밀도를 달성할 수 있습니다.
양자 컴퓨팅의 또 다른 필수 조건은 개별 큐비트의 주소 지정 가능성입니다. 본 연구에서 제시된 광학적 주소 지정 기술은 판독 속도를 향상시키고 회로 신호의 간섭을 방지할 수 있습니다. 기존 연구와 비교했을 때, 본 연구에서 보고된 Eu³⁺ 분자 결정의 광학적 결맞음은 약 1,000배 향상되어 핵 스핀 상태를 특정한 방식으로 광학적으로 조작할 수 있습니다.
광 신호는 장거리 양자 정보 전송에도 적합하여 원격 양자 통신을 위해 양자 컴퓨터를 연결할 수 있습니다. 더 나아가, 발광 신호를 강화하기 위해 새로운 Eu³⁺ 분자 결정을 광자 구조에 통합하는 방안을 고려해 볼 수 있습니다. 본 연구는 희토류 분자를 양자 인터넷의 기반으로 활용하여 미래의 양자 통신 아키텍처 구축에 중요한 발걸음을 내디뎠습니다.
게시 시간: 2024년 1월 2일