나노광자 플랫폼, 비선형 광학 양자 순간이동 효율 향상

연구자들은 비선형 광학 공정을 사용하면 양자 통신 시스템이 양자 정보를 더욱 충실하게 전송하고 특정 형태의 오류에 영향을 받지 않을 것이라는 점을 오랫동안 인식해 왔습니다. 그러나 이러한 공정을 통합하려는 과거의 노력은 양자 통신에 필요한 극히 낮은 광량에서는 작동하지 못했습니다.

이제 일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스의 한 팀이 인듐-갈륨-인화물 나노포토닉 플랫폼을 기반으로 비선형 공정을 개발하여 기술을 개선했습니다. 그 결과, 기존 시스템보다 훨씬 더 효율적인 결과를 얻을 수 있었습니다. 즉, 훨씬 적은 양의 빛을 필요로 하며 빛의 최소 단위인 단일 광자까지 작동합니다. 비선형 광학을 이용한 양자 통신 시스템을 실현할 수 있는 길이 처음으로 제시되었습니다.

일리노이대 전기컴퓨터공학과 교수이자 이 프로젝트를 이끄는 케지에 팡(Kejie Fang)은 "저희 비선형 시스템은 94%의 충실도로 양자 정보를 전송하는데, 이는 선형 광학 부품을 사용하는 시스템의 이론적 한계인 33%보다 훨씬 높은 수치입니다."라고 말했습니다. "이것만으로도 비선형 광학을 이용한 양자 통신의 위력을 입증합니다. 해결해야 할 중요한 문제는 효율성입니다. 나노포토닉스 플랫폼을 사용함으로써 효율성이 충분히 향상되어 이 기술이 유망함을 입증했습니다."

이 연구는 최근 Physical Review Letters 저널에 게재되었습니다.

네트워크를 통한 양자 정보 전송은 양자 순간이동 프로토콜을 통해 촉진됩니다. 이 프로토콜에서는 양자 얽힘 현상(일반적으로 단일 광자인 두 양자 물체가 물리적으로 연결되어 있지 않더라도 서로 영향을 미치는 현상)을 활용하여 통신 채널을 통해 전송하지 않고도 송신자와 수신자 간에 양자 정보를 전송합니다. 이 절차의 장점은 외부 노이즈와 채널 결함의 영향을 크게 완화한다는 것입니다.

양자 순간이동의 성능을 제한하는 두 가지 요인이 있습니다. 첫째, 표준 선형 광학 부품을 사용하면 전송에 모호성이 발생합니다. 둘째, 얽힌 광자는 오류와 과도한 노이즈가 발생할 수 있는 불완전한 공정으로 생성됩니다. 특히, 얽힘 광원에서 한 쌍 이상의 광자가 동시에 생성되는 경우가 많아 순간이동에 사용되는 두 광자가 실제로 얽혀 있는지 불분명합니다.

"다광자 잡음은 모든 현실적인 얽힘 소스에서 발생하며, 양자 네트워크에 심각한 문제입니다."라고 이 연구의 공동 저자인 일리노이대 물리학과 교수 엘리자베스 골드슈미트는 말했습니다. "비선형 광학의 매력은 근본적인 물리학적 원리를 통해 다광자 잡음의 영향을 완화할 수 있다는 점입니다. 이를 통해 불완전한 얽힘 소스에서도 작업이 가능해집니다."

비선형 광학 부품은 서로 다른 주파수의 광자들이 결합하여 새로운 주파수의 광자를 생성합니다. 양자 순간이동의 경우, 두 광자의 주파수가 합쳐져 ​​새로운 광자를 형성하는 "합 주파수 생성"(SFG)이라는 비선형 과정이 사용됩니다. 그러나 이 과정이 발생하려면 원래 두 광자가 특정 시작 주파수를 가져야 합니다.

SFG를 양자 순간이동에 사용할 경우, 동일한 주파수의 두 광자가 감지되면 프로토콜이 진행되지 않습니다. 이를 통해 대부분의 얽힌 광자원에서 발생하는 주요 노이즈를 걸러내고, 그렇지 않은 경우보다 훨씬 높은 순간이동 충실도를 구현할 수 있습니다. SFG 변환의 가장 큰 단점은 SFG 변환이 매우 낮은 확률로 발생하여 순간이동 과정의 효율성을 크게 떨어뜨린다는 것입니다.

"연구자들은 이 문제에 대해 오랫동안 알고 있었지만, SFG 성공 확률이 낮아 완전히 연구되지 못했습니다."라고 팡은 말했습니다. "과거에는 1억 분의 1의 성공률이 가장 높았습니다. 저희의 성과는 나노포토닉 플랫폼을 사용하여 변환 효율을 1만 분의 1로 1배 향상시킨 것입니다."

연구진은 비선형 광학 부품을 이용한 양자 순간이동의 효율을 더욱 높일 수 있을 것으로 낙관하고 있습니다. 연구진은 이러한 기술이 얽힘 교환을 포함한 다른 양자 통신 프로토콜에도 활용될 수 있을 것으로 기대합니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250424172901.htm