큐비트가 오늘날의 인터넷 회선을 통해 순간이동할 수 있을까?

 

새로운 광섬유 기술은 일반 기가비트와 양자 데이터를 혼합한다.

 

수십 년 동안 연구자들은 광섬유 케이블에서 고전적 신호와 함께 양자 신호를 압축하려고 노력해 왔습니다. 그러나 양자 비트는 개별 입자의 섬세한 양자 상태를 기반으로 하며, 이는 열 잡음 및 기타 요인에 의해 방해받을 수 있습니다.

 

지난달, 노스웨스턴 대학교 엔지니어들은 초당 400기가비트의 고전적 신호를 전달하는 광섬유를 통해 얽힌 광자 한 쌍을 30km 이상 보냈습니다. 그런 다음 얽힌 상태에서 순간이동 이라는 양자 데이터 전송 프로세스가 가능해졌습니다. 양자 순간이동은 한 입자의 양자 상태를 먼 위치에 있는 다른 입자로 전송하여 양자 정보(일명 양자 비트 또는 큐비트 ) 를 효과적으로 공간 전체로 "순간이동"할 수 있도록 하는 것입니다.

 

순간이동이라는 단어의 공상과학적 의미에도 불구하고, 그것에는 신비롭거나 다른 세상적인 것도 없습니다. 극도로 취약한 중성 원자 양자 컴퓨터 나 초전도 회로를 매우 섬세하게 이동하는 것 외에 , 순간이동은 양자 정보가 물리적으로 공간을 통과할 수 있는 주요 방법 중 하나입니다.

 

일리노이주 에번스턴에 있는 노스웨스턴 대학교의 전기 및 컴퓨터 공학 교수이자 공동 저자 인 프렘 쿠마르 는 "양자 컴퓨팅에 대한 새로운 수요가 많이 있습니다."라고 말합니다 . "하지만 디자이너들은 이를 확장하는 것이 내부 커뮤니케이션에 의해 제한될 것이라는 것을 깨닫고 있습니다."

 

다시 말해, 양자 컴퓨터의 큐비트 수가 증가함에 따라 모든 큐비트 간의 통신(모두가 반드시 동일한 물리적 컴퓨터 또는 동일한 건물이나 위치에 포함되어 있는 것은 아님)이 점점 더 중요해집니다. 따라서 기존의 장거리 광섬유 회선을 통해 큐비트를 전송하는 것이 양자 컴퓨팅을 확장하려는 노력에서 중요해집니다 .

 

 

 

따라서 오늘날 일부 연구팀은 더 크고 빠르고 더 나은 양자 컴퓨터를 개발하기 위해 노력하고 있는 반면 , 쿠마르의 팀과 같은 다른 연구팀은 큐비트를 한 장소에서 다른 장소로 전송할 수 있는 광섬유 채널의 범위를 확장하기 위해 노력하고 있습니다. 이를 통해 수행할 수 있는 양자 계산의 종류와 복잡성 수준이 확장되고 이를 수행하기 위해 기존 인프라를 재사용할 수 있는 능력이 향상될 수 있습니다.

 

이 모든 것은 결코 간단하지 않습니다. 더 간단한 것은 한 장소에서 다른 장소로 큐비트를 전달하는 방식입니다. 움직이는 큐비트는 종종 광자이고, 광자는 유리 섬유를 통해 잘 이동합니다. 기존의 광섬유 회선(어둡거나 이미 기존 디지털 데이터 트래픽이 흐르는 활성 상태)은 A 지점에서 B 지점으로 양자 정보를 전송하는 가장 간단한 경로입니다.

 

또한, 노스웨스턴 박사과정 학생이자 연구 공동 저자인 조던 토마스는 큐비트를 기존 비트와 동일한 광섬유 회선을 통해 실행하면 실질적인 차이가 크게 난다고 말합니다. 그는 "공존은 대규모 양자 네트워킹을 훨씬 더 상상할 수 있는 현실로 만듭니다."라고 말합니다.

 

1997년 British Telecom의 한 과학자가 기존 광섬유 회선에서 고전적 비트와 함께 양자 데이터를 전송하는 데 있어 핵심적인 문제를 발견했습니다 . 기존 데이터 트래픽의 광자 노이즈가 섬세한 양자 신호로 스며들었습니다. 마치 분주한 저녁 파티의 배경 소음 속에서 몇 마디 속삭이는 말을 알아듣으려는 것과 같았습니다. 사실 21세기의 처음 20년 동안은 초당 기가비트의 레이저 폭발이 같은 광섬유를 통과 하는 광자적 카코포니를 통해 희미한 양자 속삭임 의 전송을 균형 있게 조절 하려는 시도가 많이 있었습니다 .

 

최근 몇 년 동안 쿠마르의 그룹은 저널 Optica 에 최근 발표한 논문 에서 , 어둡거나 사용되지 않은 파이버를 통한 큐비트의 더 많고 더 나은 순간이동 모드가 최근 연구 보고서 에서 탐구되었다고 보고했습니다 . 그들의 그룹은 2023년에 매우 고전력의 고전적 신호와 함께 얽힌 입자를 기존 파이버를 통해 48km 보낼 수 있음을 보여줬고, 지난달에 더 복잡한 순간이동 시연을 위한 토대를 마련했습니다.

 

순간이동이 새로운 전송인가?

쿠마르의 팀은 동시에 초당 수 기가비트의 기존 디지털 통신을 전달하는 기존 광섬유 회선을 통해 양자 순간이동을 수행하기로 했습니다. 토마스는 "이 기술이 다크 파이버에 국한되지 않고 대규모로 배포될 수 있도록 순간이동 및 그 이상을 조사하기 시작한 것은 중요한 시기였습니다."라고 말합니다.

 

지금 이것을 가능하게 한 한 단계는 광 검출기의 감도 향상이었습니다. "지난 15년 동안 검출 기술에서 일종의 혁명이 일어났습니다." 쿠마르가 말했습니다. 그들의 그룹은 근적외선 O-밴드 (파장 범위 1260~1360나노미터의 광자를 나타냄)에서 효율성이 90%에 가까운 센서로 작업을 시작했습니다. 쿠마르의 그룹이 2006년에 이 분야에서 연구를 시작했을 때의 효율성 20%와 비교해보세요 .

 

 

 

인도 뉴델리에 있는 텔레매틱스 개발 센터 의 통신 엔지니어 아르카 무케르지(Arka Mukherjee) 는 양자 순간이동과 고전적 통신을 결합하는 것은 신뢰할 수 있는 신호를 어느 거리에서나 전송하기 어렵기 때문에 아직 상대적으로 연구가 부족하다고 말합니다 . 그는 실제 응용 프로그램의 경우 네트워크 엔지니어가 각 광섬유 케이블에 고전적 신호 채널을 두 개 이상 포함하고 싶어할 가능성이 높다고 덧붙였습니다. 반면 오늘날의 케이블은 수십 개의 채널을 전송할 수 있으며, 각각은 백본 광섬유 네트워크에서 100~200Gbps의 트래픽을 전송한다고 그는 말합니다. 따라서 각 광섬유 회선을 통해 노이즈 요인을 줄이는 것이 더욱 중요해질 것이라고 그는 말합니다.

 

A 지점에서 B 지점으로 큐비트를 전달하는 실제 광섬유 네트워크도 다른 종류의 과제에 직면하게 될 것입니다. 예를 들어, 양자 통신은 타이밍 정밀도와 얽힘 검증을 위해 정확한 수준의 동기화를 요구합니다 . 이를 해결하기 위해 엔지니어는 동일한 회선에서 고전적 신호와 양자 신호가 평화롭게 공존할 수 있도록 시간 프로토콜과 기타 동기화 방법을 개발하고 있습니다 .

"저희 연구 그룹 도 이 주제에 대해 몇 가지 작업을 수행했습니다 ." 토마스가 말했습니다. "그래서 저희는 이러한 동기화 시스템과 동일한 파이버에서 공존하는 것에 대한 경험이 있으며 , 이를 다음 실험 반복에 사용할 것입니다."

 

메릴랜드 주 개더스버그에 있는 국립표준기술원 의 물리학자 아누아르 라흐 무니는 쿠마르의 시연이 "양자 네트워크 노드 간의 시간적 및 편광 드리프트를 보상하기 위해 고전적 신호를 프로브 신호로 사용하여 이러한 과제를 해결하는 데 도움이 될 잠재력이 있다"고 말했습니다 . 라흐무니는 쿠마르 팀의 작업이 양자 네트워킹을 향한 "중추적인 단계"라고 말했습니다.