양자정보기술은 양자역학을 기반으로 하는 새로운 정보기술로, 물리적 정보를 암호화, 계산, 전송하는 기술입니다.양자계양자 정보 기술의 발전과 응용은 우리를 "양자 시대"로 이끌고, 더 높은 업무 효율, 더 안전한 통신 방식, 더 편리하고 친환경적인 생활 방식을 실현할 것입니다.
양자계 간 통신 효율은 빛과 상호작용하는 능력에 달려 있습니다. 그러나 광학의 양자적 특성을 최대한 활용할 수 있는 물질을 찾는 것은 매우 어렵습니다.
최근 파리 화학연구소와 카를스루에 공과대학 연구팀은 희토류 유로퓸 이온(Eu³+) 기반 분자 결정이 광학 양자 시스템에 응용될 수 있는 잠재력을 공동으로 입증했습니다. 연구팀은 이 Eu³+ 분자 결정의 매우 좁은 선폭 방출이 빛과의 효율적인 상호작용을 가능하게 하며, 중요한 가치를 지닌다는 것을 발견했습니다.양자 통신그리고 양자 컴퓨팅.
그림 1: 희토류 유로퓸 분자 결정을 기반으로 한 양자 통신
양자 상태는 중첩될 수 있으므로, 양자 정보도 중첩될 수 있습니다. 단일 큐비트는 0과 1 사이의 다양한 상태를 동시에 표현할 수 있어 데이터를 일괄적으로 병렬 처리할 수 있습니다. 결과적으로 양자 컴퓨터의 연산 능력은 기존 디지털 컴퓨터에 비해 기하급수적으로 증가할 것입니다. 그러나 계산 연산을 수행하려면 큐비트의 중첩 상태가 일정 시간 동안 안정적으로 유지되어야 합니다. 양자역학에서는 이러한 안정 상태를 결맞음 수명(coherence lifetime)이라고 합니다. 복잡한 분자의 핵 스핀은 환경의 영향이 효과적으로 차단되기 때문에 긴 건조 수명을 가진 중첩 상태를 가질 수 있습니다.
희토류 이온과 분자 결정은 양자 기술에 사용되어 온 두 가지 시스템입니다. 희토류 이온은 우수한 광학 및 스핀 특성을 가지고 있지만,광학 장치분자 결정은 통합하기가 더 쉽지만, 방출 대역이 너무 넓어 스핀과 빛 사이에 신뢰할 수 있는 연결을 구축하기 어렵습니다.
본 연구에서 개발된 희토류 분자 결정은 레이저 여기 하에서 Eu³+가 핵 스핀 정보를 전달하는 광자를 방출할 수 있다는 점에서 두 가지 장점을 모두 갖추고 있습니다. 특정 레이저 실험을 통해 효율적인 광학/핵 스핀 계면을 생성할 수 있습니다. 이를 바탕으로 연구진은 핵 스핀 레벨 어드레싱, 광자의 결맞는 저장, 그리고 최초의 양자 연산 실행을 더욱 발전시켰습니다.
효율적인 양자 컴퓨팅을 위해서는 일반적으로 여러 개의 얽힌 큐비트가 필요합니다. 연구진은 위 분자 결정 내의 Eu³+ 가 표유 전기장 결합을 통해 양자 얽힘을 달성하여 양자 정보 처리를 가능하게 한다는 것을 입증했습니다. 분자 결정은 여러 개의 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 사용된 광학 주소 지정 기술은 판독 속도를 향상시키고 회로 신호의 간섭을 방지할 수 있습니다. 본 연구에서 보고된 Eu³+ 분자 결정의 광학적 결맞음은 기존 연구와 비교하여 약 천 배 향상되어 핵 스핀 상태를 특정 방식으로 광학적으로 조작할 수 있습니다.
광 신호는 원격 양자 통신을 위해 양자 컴퓨터를 연결하는 장거리 양자 정보 분배에도 적합합니다. 또한, 발광 신호를 향상시키기 위해 새로운 Eu³+ 분자 결정을 광자 구조에 통합하는 방안도 고려할 수 있습니다. 본 연구는 희토류 분자를 양자 인터넷의 기반으로 활용하며, 미래 양자 통신 아키텍처를 향한 중요한 발걸음을 내딛었습니다.
게시 시간: 2024년 1월 2일