사용량이 많은 인터넷 케이블을 통한 양자 순간이동의 첫 번째 시연

노스웨스턴 대학의 엔지니어들이 이미 인터넷 트래픽을 전송하고 있는 광섬유 케이블을 통한 양자 순간이동을 처음으로 성공적으로 시연했습니다.

이 발견은 양자 통신을 기존 인터넷 케이블과 결합할 수 있는 새로운 가능성을 제시하며, 분산형 양자 감지 또는 컴퓨팅 응용 프로그램에 필요한 인프라를 크게 단순화할 것입니다.

해당 연구는 금요일(12월 20일) Optica 저널에 게재될 예정입니다.

"아무도 이것이 가능하다고 생각하지 않았기 때문에 매우 흥미롭습니다." 연구를 이끈 노스웨스턴의 Prem Kumar가 말했습니다. "저희 연구는 통합된 광섬유 인프라를 공유하는 차세대 양자 및 고전적 네트워크로 가는 길을 보여줍니다. 기본적으로 양자 통신을 다음 단계로 끌어올리는 문을 엽니다."

양자 통신 분야의 전문가인 쿠마르는 노스웨스턴 매코믹 공과대학에서 전기 및 컴퓨터 공학과 교수로 재직 중이며, 광자 통신 및 컴퓨팅 센터를 운영하고 있습니다.

빛의 속도에 의해서만 제한되는 양자 순간이동은 통신을 거의 즉각적으로 만들 수 있습니다. 이 과정은 양자 얽힘을 활용하여 작동합니다. 양자 얽힘은 두 입자가 거리에 관계없이 연결되는 기술입니다. 입자가 물리적으로 이동하여 정보를 전달하는 대신, 얽힌 입자는 물리적으로 정보를 운반하지 않고도 먼 거리에서 정보를 교환합니다.

"광통신에서 모든 신호는 빛으로 변환됩니다." 쿠마르는 설명했습니다. "고전적 통신의 기존 신호는 일반적으로 수백만 개의 빛 입자로 구성되는 반면, 양자 정보는 단일 광자를 사용합니다."

쿠마르의 새로운 연구 이전에는, 전통적인 지혜는 개별 광자가 고전적인 통신을 전달하는 수백만 개의 빛 입자로 채워진 케이블에 빠져 죽을 것이라고 제안했습니다. 마치 과속하는 대형 트럭이 있는 혼잡한 터널을 통과하려는 허약한 자전거와 같을 것입니다.

그러나 쿠마르와 그의 팀은 섬세한 광자가 바쁜 교통 체증을 피할 수 있도록 돕는 방법을 찾았습니다. 광섬유 케이블 내에서 빛이 어떻게 산란되는지에 대한 심층 연구를 수행한 후, 연구자들은 광자를 배치할 덜 붐비는 파장의 빛을 발견했습니다. 그런 다음, 그들은 일반 인터넷 트래픽의 노이즈를 줄이기 위해 특수 필터를 추가했습니다.

"우리는 빛이 어떻게 산란되는지 주의 깊게 연구했고, 산란 메커니즘이 최소화되는 법적 지점에 광자를 배치했습니다." 쿠마르가 말했다. "우리는 동시에 존재하는 고전적 채널의 간섭 없이 양자 통신을 수행할 수 있다는 것을 발견했습니다."

새로운 방법을 테스트하기 위해 쿠마르와 그의 팀은 양쪽 끝에 광자가 있는 30km 길이의 광섬유 케이블을 설치했습니다. 그런 다음, 그들은 양자 정보와 일반 인터넷 트래픽을 동시에 전송했습니다. 마지막으로, 그들은 중간 지점에서 양자 측정을 수행하여 순간이동 프로토콜을 실행하는 동안 수신 측에서 양자 정보의 품질을 측정했습니다. 연구원들은 바쁜 인터넷 트래픽이 윙윙거리고 있음에도 불구하고 양자 정보가 성공적으로 전송되었음을 발견했습니다.

다음으로 쿠마르는 실험을 더 먼 거리로 확장할 계획입니다. 그는 또한 한 쌍이 아닌 두 쌍의 얽힌 광자를 사용하여 얽힘 교환을 시연할 계획입니다. 이는 분산 양자 응용 프로그램으로 이어지는 또 다른 중요한 이정표입니다. 마지막으로 그의 팀은 실험실의 스풀이 아닌 실제 지하 광 케이블을 통해 실험을 수행할 가능성을 모색하고 있습니다. 하지만 더 많은 작업이 필요함에도 쿠마르는 낙관적입니다.

"양자 순간이동은 지리적으로 멀리 떨어진 노드 간에 안전하게 양자 연결을 제공할 수 있는 능력이 있습니다." 쿠마르가 말했다. "하지만 많은 사람들은 오랫동안 아무도 빛 입자를 보내기 위한 특수 인프라를 구축하지 않을 것이라고 생각했습니다. 파장을 적절히 선택하면 새로운 인프라를 구축할 필요가 없습니다. 고전적 통신과 양자 통신은 공존할 수 있습니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241220132655.htm