하버드 대학의 초박형 칩이 양자 컴퓨팅에 혁명을 일으킬 수 있다

메타표면 양자 그래프의 예술적 표현. 출처: Joshua Mornhinweg

주요 내용

• 새로운 연구에 따르면 메타표면이 강력한 선형 양자 광학 네트워크로 사용될 수 있음이 밝혀졌습니다.
• 이 접근 방식을 사용하면 광파관 및 기타 기존 광학 구성 요소의 필요성이 사라질 수 있습니다.
• 그래프 이론은 양자 광 네트워크의 기능을 단일 메타 표면으로 설계하는 데 도움이 됩니다.

실용적인 양자 컴퓨터와 네트워크를 향한 경쟁에서, 빛의 기본 입자인 광자는 실온에서 빠른 정보 전달자로서 흥미로운 가능성을 지니고 있습니다. 광자는 일반적으로 확장된 마이크로칩의 도파관이나 렌즈, 거울, 빔 분할기로 구성된 거대한 장치를 통해 양자 상태로 제어되고 유도됩니다. 광자는 이러한 광학 부품들의 복잡한 네트워크를 통해 얽힘 상태가 되어 양자 정보를 병렬로 인코딩하고 처리할 수 있습니다. 그러나 이러한 시스템은 의미 있는 계산이나 네트워킹을 수행하는 데 필요한 부품의 수가 많고 불완전하기 때문에 확장이 매우 어렵습니다.

모든 광학 부품을 단일의 평평하고 매우 얇은 파장 이하 소자 배열로 압축하여 빛을 정확히 동일한 방식으로 제어하면서도 제작 부품 수를 훨씬 줄일 수 있을까요?

하버드 존 A. 폴슨 공학 및 응용과학대학원(SEAS)의 광학 연구원들이 바로 그런 일을 해냈습니다. 로버트 L. 월리스 응용물리학 교수인 페데리코 카파소와 빈튼 헤이즈 전기공학 선임 연구원이 이끄는 연구팀은 나노 크기의 광 조작 패턴이 식각된 평평한 소자인 특수 설계된 메타표면을 개발하여 양자 광학 칩 및 장치의 초박형 업그레이드 역할을 수행했습니다.

이 연구는 Science 에 게재되었으며 공군 과학 연구국(AFOSR)의 자금 지원을 받았습니다.

카파소와 그의 팀은 메타표면이 복잡하고 얽힌 광자 상태를 만들어 양자 연산을 수행할 수 있다는 것을 보여주었습니다. 이는 다양한 구성 요소가 있는 대형 광학 장치에서 수행하는 것과 유사합니다.

"확장성 문제 해결에 있어 중요한 기술적 이점을 도입하고 있습니다."라고 대학원생이자 제1저자인 케롤로스 MA 유세프는 말했다. "이제 전체 광학 장치를 매우 안정적이고 견고한 단일 메타표면으로 소형화할 수 있습니다."

메타표면: 견고하고 확장 가능한 양자 광자 프로세서

이들의 연구 결과는 도파관이나 빔 분할기처럼 기존의 확장이 어려운 부품이나 확장된 광학 마이크로칩이 아닌, 복잡한 정렬이 필요 없는 설계, 섭동에 대한 강건성, 비용 효율성, 제조의 단순성, 낮은 광 손실 등 다양한 장점을 제공하는 오류 방지 메타표면을 기반으로 패러다임을 전환하는 광학 양자 소자의 가능성을 시사합니다. 이 연구는 메타표면 기반 양자 광학을 구현하며, 상온 양자 컴퓨터 및 네트워크로 나아가는 길을 개척하는 것을 넘어 양자 감지 또는 기초 과학을 위한 "칩상 실험실(lab-on-a-chip)" 기능을 제공할 수 있습니다.

밝기, 위상, 편광과 같은 특성을 정밀하게 제어할 수 있는 단일 메타표면을 설계하는 것은 광자 수와 그에 따른 큐비트 수가 증가함에 따라 발생하는 수학적 복잡성 때문에 고유한 과제를 안겨주었습니다. 광자가 추가될 때마다 수많은 새로운 간섭 경로가 생성되는데, 기존 방식에서는 빔 분할기와 출력 포트의 수가 급격히 증가할 것입니다.

메타표면 설계를 위한 그래프 이론

복잡성에 질서를 부여하기 위해 연구진은 점과 선을 사용하여 연결과 관계를 표현하는 그래프 이론이라는 수학의 한 분야를 활용했습니다. 얽힌 광자 상태를 여러 개의 연결된 선과 점으로 표현함으로써, 광자들이 서로 어떻게 간섭하는지 시각적으로 파악하고 실험에서 그 영향을 예측할 수 있었습니다. 그래프 이론은 특정 유형의 양자 컴퓨팅 및 양자 오류 수정에도 사용되지만, 일반적으로 메타표면의 설계 및 작동을 포함한 메타표면의 맥락에서는 고려되지 않습니다.

그 결과 나온 논문은 양자 광학과 집적 광자학을 전문으로 하는 마르코 론카 연구실과의 협업으로 이루어졌으며, 그의 팀은 필요한 전문 지식과 장비를 제공했습니다.

연구 과학자 닐 싱클레어는 "이 접근법이 매우 흥미롭습니다. 광학 양자 컴퓨터와 네트워크를 효율적으로 확장할 수 있기 때문입니다. 이는 초전도체나 원자와 같은 다른 플랫폼에 비해 오랫동안 가장 큰 과제였습니다."라고 말했습니다. "또한 메타표면, 특히 양자 광의 생성 및 제어에 대한 이해, 설계 및 응용 분야에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다. 그래프 접근법을 통해 메타표면 설계와 광학 양자 상태는 동전의 양면과 같은 역할을 합니다."

이 연구는 AFOSR을 포함한 연방 기관의 지원을 받았으며, 연구비 번호는 FA9550-21-1-0312입니다. 이 연구는 하버드 대학교 나노스케일 시스템 센터에서 수행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250724232413.htm