차세대 인터넷은 빛의 속도보다 빠르게 이동하는 해킹 불가능한 네트워크와 정보를 허용하는 혁신적인 신기술에 의존한다.
에덴의 양자정원이라고 부르는 뉴욕시에서 동쪽으로 50마일 떨어진 Brookhaven National Laboratory 캠퍼스에있는 Eden Figueroa는 양자인터넷의 씨앗을 심는 세계에서 선구적인 개발자들의 정원이다. 먼 거리에 방대한 양의 데이터를 전송할 수있는 이 기술은 현재 인터넷보다 빠를뿐만 아니라 빛의 속도보다 더 빠르게 작동한다. 사실 Star Trek에서 Mr. Spock과 Kirk 선장이 순간이동하는 것처럼 말이다.
브룩헤이븐의 빛으로 가득 찬 카페테리아에 앉아 포니테일의 손아귀에서 벗어나기 위해 싸우는 어깨 길이의 검은머리에 스토니브룩대학의 부교수 피게로아 (멕시코 출신)는 그것이 어떻게 작동 할 것인지 설명한다. 그는 두 개의 플라스틱 커피 컵 뚜껑, 소금통, 후추 통, 작은 컵의 물을 잡고 마술사처럼 카드를 들고 점심 테이블에서 그들을 움직이기 시작한다.
"여기에 감지기가 있고 여기에 감지기가 하나있을 것이다."그가 두 개의 뚜껑을 가리키며 말한다. “이제 많은 가능성이 있다. 둘 중 하나가 여기로 들어간다.”– 그는 소금통을 가리킨다 “또는 두 사람이 거기에 들어간다.” 물컵에 고개를 끄덕이며. "그리고 거기서 무슨 일이 있었는지에 따라 그 상태가 될 것이다."그는 후추통을 들고 "내가 여기서 준비하고 있다."라고 말한다.
미국, 유럽, 중국의 물리학자들만이 양자물리학의 가장 이상하고 가장 먼 측면을 활용하는 방법을 실제로 이해하고 있다. 이 이상한 경기장에서 객체는 중첩이라고하는 동시에 둘 이상의 상태에 존재할 수 있다. 그들은 장거리에서 즉시 서로 상호작용할 수 있다. 그들은 존재 안팎으로 번쩍 일 수 있다. 피게로아와 같은 과학자들은 그 기괴한 행동을 활용하여 작동하는 새로운 시대의 인터넷으로 전환하기를 원한다. 즉, 해킹에 영향을받지 않는 보안메시지를 전송하고 해킹은 철폐가 될 것이라고 말한다.
이미 Figueroa는 그의 그룹이 광섬유 인프라를 사용하여 Stony Brook과 Brookhaven 캠퍼스 사이에 "분극상태"라고 부르는 것을 전송하여 최대 85마일을 추가했다고 말한다. Brookhaven Lab의 Computational Science Initiative의 책임자 Kerstin Kleese van Dam은 "세계에서 가장 큰 양자네트워크 중 하나이며 미국에서 가장 긴 것"이라고 말한다.
다음으로 Figueroa는 자신의 양자기반 메시지를 공중을 통해 Long Island Sound를 가로 질러 코네티컷의 Yale University로 텔레포트하기를 희망한다. 그런 다음 그는 기존 광섬유 케이블을 사용하여 Long Island 및 Manhattan과 연결하여 동쪽으로 50마일을 이동하려고한다.
Eden Figueroa (오른쪽)는 양자입자가 이동할 수있는 거리를 확장하면서도 여전히 얽혀있는 기술을 연구해 왔다. 여기에서 Figueroa와 연구원 Mehdi Namazi (왼쪽)와 Mael Flament (가운데)는 2018년 Stony Brook University의 팀원으로 해킹에 영향을받지 않는 한 가지 기술 프로토타입 뒤에 서 있다.
Kleese Van Dam은 유럽과 중국의 다른 그룹이 더 많은 자금을 지원하고 기술에 대해 훨씬 더 오래 작업해 왔지만 미국에서는“[Figueroa]가 양자를 결합하는 데 필요한 지식과 장비를 확보하는 데 앞장서고 있다. 내년 또는 2년 내에 네트워크가 완성된다. "
시카고대학의 Pritzker 분자공학학교의 스핀 트로닉스 및 양자정보학교수이자 Chicago Quantum Exchange의 책임자인 이 분야의 전설 David Awschalom은 Figueroa의 작업을 “매우 사려 깊고 매우 잘 수행된 환상적인 프로젝트이다. 나는 무언가가 가장 크거나 빠르다고 말하는 것에 항상 신중하다.”라고 그는 말한다. "양자인터넷 구축을위한 다음 단계로 프로토타입 양자네트워크 구축에 대한 전 세계적인 노력이다." 양자 네트워크를 구축하기위한 다른 노력은 시카고에서 자신의 그룹 프로젝트는 말할 것도없고 일본, 영국, 네덜란드, 중국에서 진행되고 있다고 그는 말한다.
최근 미국의 노력은 2 ~ 5개의 양자연구센터에 자금을 지원하는 데 6억 2,500만 달러를 지출 할 것이라고 1월에 미국에너지부 (US Department of Energy)의 발표에 의해 강화되었다. 이 움직임은 2018년 12월 21일 도널드 트럼프 대통령이 법으로 서명 한 미국 국가양자이니셔티브의 일부이다.
그러나 이것이 양자 인터넷이라고 불리는 것은 무엇인가? 어떻게 작동하나? 그의 비전에 매료된 Figueroa는 전염성있는 열정으로 그의 계획에 대해 말해 주었고, 때로는 모든 것이 너무 단순해서 어린이가 이해할 수있는 듯 웃었다. 실망하고 싶지 않은 나는 고개를 끄덕이고 그가 무슨 말을하는지 아는 척했다.
그리고 지난 여름 Figueroa와 이틀을 보낸 후 Brookhaven과 근처 Stony Brook 캠퍼스를 돌아다니며 그의 미래형 장비를 직접 살펴보고 전 세계의 다른 물리학 자들과 이야기하고 몇 권의 책을 읽고 수십 개의 기사를 읽었다. 연구를하면서 일종의 이해하기 시작했다. 모든 불안정한 깊이는 아니지만 일반적으로 내부 연소 엔진이 어떻게 작동하는지 또는 변기가 왜 플러시되는지 이해하게 되었다 그리고 여러분도 이해할 수 있을 것이다.
엉킴 풀기
양자정보기술 그룹을 이끌고있는 스토니브룩에있는 그의 실험실 뒷방으로 안내하는 Figueroa는 작은 거울, 레이저 및 전자 장치의 미로로 덮인 큰 테이블을 보여준다. “여기에서 우리가 중첩을 전달하는 이러한 광자를 생성 할 수 있다. 그러면 광섬유로 보낼 수 있다. 확인은 매우 간단하다.”
권리.
흥미롭게도 양자인터넷의 모든 의미는 실험으로 거슬러 올라갈 수 있으므로 거실에서 할 수 있다. 이중 슬릿 실험이라고 불리는 이 실험은 200년 전에 영국의 폴리 매스 Thomas Young에 의해 처음 수행되었다.
영은 두 개의 슬릿이 나란히 절단된 재료의 평면 패널에 광선을 비추었을 때 슬릿을 통과하는 빛이 패널 뒤 화면에 어둡고 밝은 띠의 간섭 패턴을 생성하는 것을 확인했다. 두 개의 슬릿에서 나오는 파도 (광파)만이 그러한 패턴을 만들 수 있다. Young은 1704년에 빛의 입자이론을 발표한 Isaac Newton이 틀렸다고 결론지었다. 빛은 입자가 아닌 파동으로 들어 왔다.
얽힘 테스트
그러나 20세기 초에 과학자들은 빛이 입자로도 온다는 사실을 확인했다. 물리학자 Gilbert N. Lewis가 광자 또는 양자라고 부르는 것이다. 그리고 놀랍게도 연구원들은 단일 광자가 이중 슬릿 패널에서 한 번에 하나씩 날아가는 경우에도 간섭 패턴이 여전히 다른쪽에 나타남을 발견했다. 그들이 깨달은 각 입자는 크림치즈의 schmear처럼 퍼져 나가는 파동이었고, 그래서 양쪽 슬릿을 동시에 가로 질러서 다른쪽에있는 자신을 방해했다.
한 입자의 빛이 한 번에 두 곳에 있었다. 즉, 한 곳에서 입자를 간지럽히면 다른 곳에서는 킥킥 거리게된다. 한 곳에서 그것을 관찰하면 쌍둥이에 대해 뭔가를 드러내야한다. Erwin Schrödinger는 얽힘 현상이라고 불렀다. 이것은 Figueroa와 다른 연구자들이 정보를 보내기 위해 지금 활용하고있는 바로 그 현상이다. 간단히 말해서 메시지 나 데이터와 같은 정보를 한 위치의 입자에 추가하면 데이터가 다른 위치, 즉 순간 이동의 본질에 나타난다.
하지만 피게로아에게 물어보면이 모든 야생 아이디어가 실제로 너트와 볼트 및 물리적 장치와 함께 작동할까?
"마법이 어디에서 일어나는지 보여 주겠다."라고 그는 말한다.
Quantum Memories에 감사드리며
“그저 장비와 광학 일뿐이다.”라고 그는 큰 테이블에 구성된 일련의 레이저와 거울을 가리키며 말했다. "이것은 사람들이 성인용 레고라고 부르는 것이다." 한쪽 끝에서 레이저는 결정에 고 에너지 청색 광자를 겨냥하여 각각을 한 쌍의 저에너지 적색광자로 분해한다. 결과로 생성된 두 개의 빨간색 광자 각각이 이제 다른 광자와 얽혀있다. Figueroa는 광자가 거울에서 거울로 이동하는 경로를 지적한다. “그들은 boop, boop, boop, boop, boop-boop-boop-boop을한다. 이것이 우리가이 아름다운 시스템을 가진 이유이다. 이것은 실제로 효과가 있다. 아름답다.”라고 그는 말한다.
얽히게되면 하나의 적색광자는 복도 아래에있는 Figueroa 실험실의 탐지기로 짧은 거리를 보내고 다른 하나는 수십 마일 떨어진 Brookhaven National Lab의 탐지기로 보낼 수 있다. 거리가 다르면 두 광자의 도착 시간이 약간 동기화되지 않아 얽힘을 방해 할 수 있다. 이를 방지하기 위해 Figueroa는 각각의 도착 시간을 나노초 이하로 조정하는 방법을 찾아야했다.
하지만 어떻게? 다른 양자 실험실은 브레이크를 두드리는 방법으로 집에 머무르는 광자를 거의 절대 0에 가깝게 고정한다. 대조적으로 Figueroa의 혁신은 실온에서 작동한다. 1조 개의 루비듐 원자 안개가 들어있는 인치 길이의 유리관이다. 피게로아의 실험실을 방문한 첫날 아침, 그는이 튜브 중 하나를 내 손에 쥐어주었다.
무엇이냐고 나는 그에게 묻는다. 그는 미소를 지으며 “양자 기억”이라고 말한다.
독일 콘스탄츠대학에서 박사학위를 받고있을 때 피게로아는 교수에게 값 비싸고 복잡한 냉동고 없이도 실온에서 작동하는 시스템을 구축 할 수 있는지 물었다고 말했다.
그렇게 생각하지 않는다"고 교수는 말했고 그는 나중에 자신이 틀렸다는 것을 증명하라고 말했다. 그래서 그는그렇게 증명했다. 조심스럽게 배치 된 일련의 거울에서 광자를 반사하고 레이저 네트워크로 루비듐 원자의 안개를 폭격함으로써 Figueroa는 얽힌 광자의 파장을 조정하여 루비듐 안개 속의 전자가 수신 할 수있는 신호를 방송할 수 있음을 발견했다. 광자의 얽힌 상태는 순간적으로 전체 원자 구름으로 전달된다. 몇 나노초 후, 얽힌 광자는 계속 이동하여 쌍둥이와 같은 순간에 검출기에 도달한다.
놀랍게도, 2012년 박사학위를 마친 이후 igueroa는 양자메모리를 휴대 가방보다 작은 휴대용 장치에 담을 수있는 전체 시스템을 소형화했다. 이는 데이터 센터의 일반 컴퓨터 서버 랙에 장착 할 수있을만큼 작다. 이는 중요한 혁신이다. 양자인터넷이 주류가된다면 그렇다. 그의 동료이자 공동작업자 Dimitrios Katramatos는 그날 “휴대용이기 때문에 우리는 그 중 일부를 밴에 실어 Stony Brook에서 Brookhaven으로 가져 왔다. 그때 아내의 밴을 운전했는데 Figueroa가 웃으며 그 이후로 그 벤을 퀀텀 밴이라고 불렀다."
얽힘 스와핑
그러나 또 다른 문제가 남아 있다. Figueroa 나 Katramatos (세계의 다른 양자 엔지니어도)는 지금까지 완전히 파악하지 못한 문제이다. 60년경에 나타나는 장벽을 통해 광섬유케이블을 통해 양자얽힌 광자를 성공적으로 전송하는 방법을마일 마크가 알아냈다. 그 너머에서 광자는 의도하지 않게 케이블, 하우징 또는 지상의 햇빛과 상호작용하여 얽힘을 파괴한다.
제안된 솔루션은 "얽힘 스와핑"이라고 설명한다. 그리고 전 세계의 양자 엔지니어들은이 개념을 작동하는 프로토 타입에 적용하기 위해 경쟁하고 있다.
하버드대학의 선도적인 양자이론가이자 실험가 Mikhail Lukin은 “이 아이디어는 20년 동안 존재 해 왔다. 지금까지 아무도 실용적으로 사용할 수있는 제품을 구축하는 데 성공하지 못했다.그것이 [Figueroa]의 그룹이하려고하는 것이다.”
그의 계획을 설명하기 위해 Figueroa는 나를 작은 회의실로 안내하여 화이트보드에 모든 것을 매핑했다.
"정말 멋진 것을 보여 드린다."라고 그는 말한다.
한 쌍의 얽힌 광자 만 만들어서 100마일 떨어진 실험실로 보내려고하는 대신 25마일과 75마일 표시에 위치한 두 개의 서로 다른 변전소에서 두 번째 얽힌 쌍이 만들어진다. 이 변전소는 한 쌍의 광자를 서로를 향해 발사하고 다른 하나는 두 실험실 중 가장 가까운 곳을 향해 발사한다. 두 쌍의 광자가 각각 50마일 지점에서 만나면 서로 얽히게되어 먼 실험실에 남아있는 다른 광자가 자동으로 엉키게된다. 이 얽힘이 공유되면 Figueroa가 보내려는 정보를 100마일 떨어진 실험실로 순간이동하여 장벽을 극복할 수 있다.
"보여?" 그는 매력적인 열정으로 말한다. "쉬워요."
양자의 미래
정보, 메시지뿐만 아니라 입자, 분자, 세포 또는 Kirk선장까지 순간이동하는 것은 어떤가? 1997년 12월 처음으로 얽힘에 대한 실험적 시연이보고되었을 때 IBM 물리학자 Charles H. Bennett는 The New York Times에 이렇게 말했다. “박테리아처럼 작은 것에 대해서도 그렇게하는 것은 완전히 불가능하다.” (베넷은 지적해야 할 점은 4년 전에 양자 순간이동이라는 용어를 만들었기 때문에 그가 옳다고 생각할 것이다.)
그러나 21년 후인 2018년 가을, 옥스포드대학 연구자들은 베넷이 “완전히 실현 불가능하다”고 말한 것을 정확히 가능하다고 보고했다. 살아있는 박테리아가 빛의 광자와 얽힌 것이다. 그러나 모든 물리학자들이 다른 그룹의 실험에 대한 옥스포드 팀의 분석을 기반으로했기 때문에 연구결과에 설득 된 것은 아니다. 그러나 양자 혁명이 얼마나 멀리 갈지 아무도 모른다. 확실히 Figueroa는 개발중이다.
"이 장치들이 할 일 중 많은 것들이 우리는 여전히 그것을 알아내려고 노력하고 있다."라고 그는 내게 말했다. “현재 우리는 작동하는 기술을 만들려고 노력하고 있다. 가능한 것의 정말 먼 범위는 아직 발견되지 않았다.”
그를 떠나기 전에 나는 피게로아에게 그의 친구, 가족, 이웃들이 그의 비밀스러운 일을 어떻게 이해하려고 노력하는지 물어보았다. 그는 시아버지에 대한 이야기를 들려주었다. 피게로아가 독일에서 박사후 연구를하고있을 때 아내의 아버지가 방문했다. 2시간 동안 연구실을 둘러 본 후 Figueroa는 그에게 모든 것에 대해 어떻게 생각하는지 물었다.
그의 장인은 "당신이 한 말을 이해하지 못했다.하지만 내가 본 것 중 가장 놀라운 일이라는 것을 안다."라고 그의 시아버지는 말했다.
나는 공감할 수 있었다. 피게로아를 방문하여 전화로 반복해서 심문하고 "단일 원자 양자 기억"과 "압착된 빛을위한 양자기억"과 같은 먼 제목의 논문을 읽기 전에 이해를 못했었다. 그러나 그 모든 것이 나에게 이해되기 시작했다.
DIY 양자 인터넷 구축을위한 3가지 쉬운 단계
1 단계. 양자인터넷을 구축하려면 먼저 두 개의 광자를 얽혀서 아무리 멀리 떨어져 있어도 단일 단위처럼 동작한다. 이렇게하려면 레이저에 의해 생성된 고 에너지 청색광자를 하나 가져와서 광자를 두 개의 저에너지 적색광자로 분할하는 수정을 통과시킨다. 이제 그 광자는 영구적으로 얽혀 있다. Brad Pitt와 Angelina Jolie처럼 시간이 끝날 때까지 Brangelina로 얽혀 있다. 이제 그 광자 중 하나를 친구 Steven Spielberg에게 보내고 다른 하나는 자신을 위해 보관한다.
브래드 또는 안젤리나 중 누구를 보냈을까? 스필버그가 문 반대편에있는 사람이 누구인지 확인하기 위해 구멍을 뚫고 볼 때까지, 둘 중 하나를 볼 확률은 50-50이다. 양자 세계에서는 모든 것이 통계적으로 흐릿하게 존재한다. 하지만 괜찮다. 브래드와 안젤리나는 정보를 서로에게 보내는 통로 일뿐이다.
2 단계. Brad에서 Angelina에게 의미있는 메시지를 보내려면 세 번째 광자가 필요하다. 이것을 Jennifer Aniston이라고하자. Jennifer를 편광판 (선글라스에 사용되는 편광 렌즈와 같은)을 통과시켜 원자극을 수직 및 수평 축의 특정 위치로 설정한다. 이는 동시에 0 또는 1이 될 수있는 퀀텀비트 또는 큐비트를 제공한다. 디지털 데이터의 0과 1과 유사하게 큐 비트를 함께 묶어 보내려는 메시지 (예 : 새 영화의 스크립트)를 인코딩 할 수 있다.
3 단계. 거의 완료되었다! 이제 제니퍼라는 큐비트를 안젤리나를 스필버그에 보낸 이후로 매달린 브래드라는 광자와 얽혀야한다. 이를 위해 Jennifer와 Brad를 모두 빔 스플리터에 넣는다. 그렇게 할 때 Jennifer는 기존 Brangelina 연결 덕분에 Brad뿐만 아니라 Angelina 와도 얽히게된다. 세 가지 모두 서로 얽혀 있다.
이제 이것을 얻어야한다. 광자는 매우 민감하기 때문에 광자가 실제로 얽혀 있는지 확인하기 위해 측정하는 바로 그 행위가 그들을 파괴한다. 따라서 Brad와 Jennifer는 모두 실험실에서 사라진다. 하지만 잠깐 : 스필버그는 여전히 안젤리나를 가지고 있다. 그리고 안젤리나는 여전히 제니퍼가 가지고있는 정보와 얽혀있다. 이것은 Jennifer가 가지고있는 정보는 이제 Spielberg의 광자로 순간적으로 순간이동되었다.
이제 스필버그가 오스카 시상식에서 감사를 하는 미래가 남아있다.— DH
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