아무도 우리가 인터넷에 얼마나 의존하고 있는지 설명할 필요가 없습니다. 우리는 이를 사용하여 메시지를 보내고, 화상 통화를 하고, 민감한 정보를 상담하고, 심지어 금융 거래를 관리합니다. 하지만 누군가 우리가 눈치채지 못하게 그 정보를 가로챌 수 있다면 어떨까요? 오늘날에도 그러한 위험이 존재합니다. 그러나 한 연구자 그룹은 근본적으로 새로운 데이터 전송 방법을 보여주었습니다: 정보가 빛의 속도로 이동할 뿐만 아니라 흔적을 남기지 않고 복제하거나 염탐하는 것이 물리적으로 불가능한 네트워크인 소위 "양자 인터넷"을 향한 진정한 발걸음입니다.

이 획기적인 발전은 2025년 4월 Optica Quantum에 발표된 논문에 의해 뒷받침되며, 로체스터 공과 대학(Rochester Institute of Technology), 로체스터 대학교(University of Rochester) 및 기타 기관의 연구원들이 서명했습니다. 그 안에는 비선형 결정과 통합 광자 회로를 결합하여 얽힌 광자 쌍을 생성하고 조작하는 하이브리드 시스템이 제공됩니다. 이 기술은 오늘날 양자 네트워크의 주요 병목 현상 중 일부를 해결할 뿐만 아니라 전 세계에 이미 존재하는 광섬유 네트워크와 호환되는 재료를 사용하여 작동합니다.

이미 작동하는 양자 네트워크

확장하기 어려운 많은 이론적 제안이나 실험실 설정과 달리, 이 논문에 제시된 실험은 통합할 준비가 된 실제 소형 구성 요소를 기반으로 합니다. 이 시스템은 PPKTP(주기적으로 편광 티타닐 인산칼륨)라는 결정을 사용하여 가시 범위(656nm)와 통신 범위(1536nm)에 있는 매우 다른 파장을 가진 광자 쌍을 생성합니다.

이러한 광자는 얽혀 있으며, 이는 정보 측면에서 분리할 수 없는 양자 관계를 공유한다는 것을 의미합니다. 이러한 얽힘은 정보를 안전하게 보낼 수 있는 핵심입니다. 가시광선 광자를 검출함으로써 파트너(통신 대역 광자)가 존재하고 인코딩된 데이터를 전송하는 데 사용할 수 있음을 보장할 수 있습니다.

그러나 이 프로젝트의 진정한 강점은 광자의 생성뿐만 아니라 통합된 광자 칩 내에서 광자를 조작하고 감지하는 것입니다. 저자에 따르면 "우리는 원격 양자 노드가 광섬유 네트워크를 통해 안전하게 통신할 수 있는 플랫폼을 시연합니다."

해킹할 수 없는 네트워크를 위한 라이트 큐비트

기존 인터넷에서 데이터는 비트를 나타내는 전기 또는 광 펄스(0과 1)에 의해 전송됩니다. 양자 네트워크에서 주인공은 큐비트(양자 비트)이며, 이는 상태의 중첩에 있을 수 있습니다. 이를 통해 정보를 인코딩하고 처리하는 새로운 방법을 사용할 수 있습니다. 광자는 빠르게 이동하고, 환경과 잘 상호 작용하지 않으며, 기존 광섬유를 통해 전송될 수 있기 때문에 "비행" 큐비트로 기능하기에 이상적인 후보입니다.

연구진의 제안은 광자 쌍 중 하나가 "전령" 역할을 하는 광자 쌍을 생성하는 데 초점을 맞추고 있습니다: 감지되면 동료가 정보를 전송할 수 있음을 보장합니다. 이 예고된 광자 시스템은 훨씬 더 신뢰할 수 있는 통신을 가능하게 합니다. 그리고 가장 혁신적인 것은 단일 광자를 포착하는 데 일반적으로 사용되는 거대하고 값비싼 초전도 검출기 없이도 PPKTP 유리와 통합 광자 회로를 결합한 소형 장치에서 모든 것이 이루어진다는 것입니다.

배포 가능한 양자 네트워크를 향한 한 걸음

실제 양자 네트워크를 구축하는 데 있어 가장 큰 과제 중 하나는 구성 요소의 복잡성입니다. 지금까지 많은 어셈블리에는 전문 실험실, 밀리미터 단위의 정확한 정렬 광학 장치 및 극저온으로 냉각된 검출기가 필요했습니다. 이 프로젝트는 소형화되고 안정적이며 쉽게 패키징할 수 있는 플랫폼을 제시함으로써 이러한 장벽을 허물고 있습니다.

핵심은 비선형 결정과 칩의 조합에 있습니다. 논문에서 설명하듯이 "통합 광자 회로는 저손실 광자 라우팅 및 조작을 위한 작고 위상 안정적인 플랫폼을 제공합니다." 이는 네트워크가 대규모로 제조될 수 있음을 의미하며, 이는 실제 구현에 필수적입니다.

또한 이 칩은 광자의 상태를 변조할 수 있도록 하는 Mach-Zehnder 간섭계와 같은 요소를 통합합니다. 이는 전송뿐만 아니라 정보의 양자 처리에 대한 문을 열어줍니다. 이러한 네트워크는 분산된 양자 컴퓨터, 원격 감지 또는 깨지지 않는 암호화 시스템을 연결하는 데 사용할 수 있습니다.

시뮬레이션되지 않은 측정된 결과

이 기사는 아키텍처를 제안하는 데 국한되지 않고 작동한다는 것을 보여줍니다. 연구원들은 광자 일치율, 시스템의 다양한 구성 요소에서의 삽입 손실, 다양한 구성에서의 검출 속도를 측정했습니다. 이 시스템은 초당 최대 6,700만 개의 광자 쌍 생성 속도와 실제 응용 분야에 적합한 신호 대 잡음비를 달성했습니다.

주목할 만한 혁신은 칩에 실리콘을 잡음 필터로 사용하는 것입니다. 이 재료 자체가 유용한 신호를 방해할 수 있는 펌프 광 억제기 역할을 하므로 외부 필터가 필요하지 않습니다. 연구에 따르면 "실리콘 도파관은 외부 필터에 우수한 펌핑 억제를 제공하여 정합률을 향상시킬 수 있습니다."

극저온 검출기를 실온에서 작동하는 애벌랜치 SPAD 다이오드로 교체할 가능성도 평가되었습니다. 이를 통해 양자 네트워크 노드는 실험실 외부의 정상적인 조건에서 배포될 수 있으며 여전히 안정적으로 작동할 수 있습니다.

실제 네트워크에서 테스트되었습니다.

팀은 통제된 환경에서 시스템을 테스트하는 데 만족하지 못했습니다. 가장 인상적인 실험 중 하나로, 연구진은 로체스터 공과대학(Rochester Institute of Technology)과 로체스터 대학교(University of Rochester)를 연결하는 38km 길이의 실제 광섬유 네트워크인 로체스터 퀀텀 네트워크(Rochester Quantum Network, RoQNET)에 장치를 연결했습니다. 신호는 올바르게 변조, 전송 및 수신되어 시스템이 기존 인프라와 호환됨을 보여주었습니다.

채널의 불가피한 손실(23dB 이상)에도 불구하고 일치 감지가 가능했습니다. 이는 미래의 대규모 양자 네트워크를 위한 중요한 단계입니다. 요약하자면, 저자는 "이 접근 방식은 기존의 여유 공간 또는 광섬유 시스템에 비해 위상 안정성과 훨씬 더 작은 장치 크기를 제공한다"고 지적합니다.

보류 중인 작업

결과는 유망하지만, 연구진은 한계를 인정한다. 이 시스템은 특히 결정에서 칩으로 광자를 전송할 때 여전히 일부 결합 손실로 어려움을 겪고 있습니다. 일부 구성 요소에서는 약간의 원치 않는 형광도 검출되었는데, 이는 광학 노이즈가 적은 재료를 사용하여 향후 버전에서 줄일 수 있습니다.

또한 이론상 최대치(67MHz/mW 대 예측된 80MHz/mW)에 가까운 광자 쌍 생성 효율이 달성되었지만 생성에서 검출에 이르기까지 전체 시스템의 최종 효율성은 여전히 최적화될 수 있습니다. 저자에 따르면 "추정된 온칩 예고 효율은 5.49 ± 1.63%였다"고 합니다.

칩 설계는 최적화되지 않은 다목적 플랫폼으로 이루어졌습니다. 향후 버전에서는 이 부분을 개선하여 손실을 줄이고 시스템의 전반적인 효율성을 높일 것으로 예상됩니다.

글로벌 양자 네트워크를 향하여

이 작업은 단순한 실험실 실험이 아니라 실제적이고 안전하며 확장 가능한 양자 네트워크를 배포하기 위한 확고한 단계를 나타냅니다. 광자 소스, 온칩 조작 및 효율적인 감지의 통합은 미래의 양자 인터넷으로 가는 길을 열어줍니다. 모든 메시지가 조만간 뚫릴 수 있는 알고리즘이 아닌 물리학의 기본 법칙에 의해 보호되는 인터넷입니다.

응용 분야는 방대합니다: 안전한 군사 통신에서 무적 은행 암호화, 고정밀 양자 센서 네트워크에 이르기까지. 이 돌파구는 과학계를 새로운 연결의 시대에 한 걸음 더 가까이 다가가게 합니다. 그리고 무엇보다도, 공상 과학 소설이 큐비트, 광자 및 실리콘 칩으로 구성된 기능적 네트워크가 될 수 있음을 보여줍니다.

출처:muyinteresante.com