quantum wave

• 저자 Knaut, C.M. et al., (Harvard-AWS collaborative research team[M. D. Lukin])
• 저널 Nature 629, 573–578
• 게재일 2024년 05월 16일
• DOI https://doi.org/10.1038/s41586-024-07252-z

본 연구는 이러한 한계를 극복하기 위해, 다이아몬드 내 인공 원자인 SiV 결함 중심을 나노포토닉 포토닉결정 공진기와 결합한 양자 메모리 노드를 개발하고, 이를 실제 도시 광통신망에 통합하는 새로운 접근법을 제안하고 실험적으로 입증하였습니다. 각 노드는 전자스핀과 핵스핀으로 구성된 다중 큐비트 레지스터 구조로 이루어져 있으며, 얽힘 생성, 장기 저장, 오류 검출 기능을 통합적으로 수행할 수 있습니다. SiV 결함은 반전 대칭성을 지녀 광학적으로 매우 안정적이며, 방출 광자의 대부분을 ZPL(Zero-Phonon Line)으로 내보내기 때문에 광자 간 간섭의 신뢰도를 높이는 장점이 있습니다. 실험에서는 공진기로 강화된 광자-스핀 상호작용과 time-bin 기반의 스핀-광자 얽힘 게이트를 활용해 원격 노드 간 고효율의 양자 얽힘 생성을 구현하였고, 생성된 얽힘은 핵스핀 큐비트에 전이되어 1초 이상 안정적으로 저장되었다. 핵스핀 간 얽힘 상태는 내장된 오류 검출 기법을 통해 신뢰성이 보강되었습니다.

양자 얽힘의 전송 과정에서 발생하는 광섬유 손실 문제를 극복하기 위해, 연구진은 SiV 센터에서 방출된 737 nm 광자를 텔레콤 O-band(1350 nm)로 변환하는 단일단계 양자 주파수 변환(QFC) 기술을 구현 하였습니다. 실험 시스템은 하버드 대학 캠브리지 캠퍼스 내의 두 대의 극저온 냉동기로 구성되었고, 두 노드는 캠브리지-보스턴-워터타운 지역을 순환하는 35 km 실제 도시 광케이블을 통해 연결 되었습니다. 얽힘 생성은 하나의 광자를 시간적으로 두 구간으로 인코딩하여 순차적으로 두 노드와 상호작용시키고, 마지막으로 한쪽 노드에서 Bell 상태 측정을 통해 수행됩니다. 이 방식은 기존의 두 광자 간 간섭 방식에 비해, 두 노드 간 광경로 위상의 정밀한 안정화가 불필요하다는 장점을 가지며, 실제 도시 인프라 환경에서도 얽힘 생성이 안정적으로 작동할 수 있음을 보여주었습니다.  실험 결과, 40 km 저손실 광섬유와 35 km 상용 도시망에서 핵스핀 메모리 간 양자 얽힘의 생성과 장기 저장에 성공하였습니다. 얽힘 생성률은 수 초당 한 번 수준으로 보고되었으며, 이는 상용 통신 인프라에 연동된 양자 얽힘의 실현 가능성을 보여주는 의미 있는 진전입니다. 본 연구는 향후 양자 중계기 구현 및 장거리 양자 네트워크 확장을 위한 주요 기술적 기반을 마련한 사례로 평가됩니다. 저자들은 나노포토닉 구조의 소형화 및 집적도 향상, 양자 주파수 변환 기술의 고도화를 통해 실용적인 대규모 양자 네트워크 구축이 가능할 것으로 전망하며, 이번 연구가 양자 통신 기술의 실제 응용 및 확장에 중요한 전환점이 될 수 있음을 시사합니다.

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그림2. 양자 주파수 변환(QFC)을 포함한 시스템 구성과, 실험결과, & 실험에 활용한 상용 광섬유 링크의 지도

연구 그룹 소개 및 연구 전망

Harvard-AWS 연합 연구팀은 하버드대학교 Mikhail Lukin 교수가 이끄는 양자광학 이론 및 실험 그룹과, Amazon Web Services 산하 Center for Quantum Networking(CQNet)의 공동 연구체로 구성되었습니다. 단 AWS CQNet은 현재 다른 형태로 발전중입니다. 이 그룹은 중성원자(Harvard)에서 세계적 선도그룹임과 동시에 고체 내 결함 중심—주로 다이아몬드 내의 SiV 센터—을 기반으로 한 양자 메모리 기술과 이를 광섬유 기반 네트워크에 통합하는 실험적 역량에서 세계적 수준의 리더십을 보여주고 있습니다.  국제적으로는 QuTech, Caltech, MIT, Cambridge등의 기관이 NV, SiV, SnV, Er 중심 등의 결함 큐비트를 기반으로 한 양자 네트워크 연구를 활발히 전개하고 있습니다. 각 기관은 큐비트 물리, 상호작용 구조, 전송 프로토콜, 메모리-광자 변환기술 등에서 서로 다른 강점을 보이며, 글로벌 수준의 기술 우위 확보를 위한 경쟁이 본격화되고 있습니다.

국내에서도 KIST 양자기술연구단을 비롯하여 서울대학교, KAIST, GIST, 고려대학교, 등 주요 연구기관들이 고체점결함 기반 큐비트-광자 간 상호작용 연구, 그리고 파장 변환 기술 등의 분야에서 활발한 연구를 진행 중입니다. 최근에는 NV나 SiV 등 현재 높은 수준의 시스템 기술을 증명한 결함 뿐만 아니라, 차세대 결함계에 대한 관심이 확대되고 있으며, SiV와 유사하되 1–4K 수준의 운용이 가능한 SnV 센터나 대면적 웨이퍼 기술과 호환성이 높은 SiC 결함계, 또는 파장변환기 없이 통신 파장에서 동작 가능한 Er-doped 희토류 양자메모리, 실리콘 기반 T-center 등에 대한 연구도 점차 시도본격화되고 있습니다. 이러한 고체점겸함을 활용한 이 노드들이 3개, 5개, 10개로 늘어나고, 광섬유망 위를 달리는 양자 얽힘이 도시와 도시를 잇는 그날이 오게 될 것이다. 다이아몬드 속에서 시작된 이 작은 결함 하나가 양자 인터넷 시대를 여는 연결점이 되고 있습니다.