.From Sci-Fi to Reality: Single-Photon Teleportation Breakthrough
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Starship version space science
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공상과학에서 현실로: 단일 광자 순간이동의 획기적인 발전
일리노이 대학교 그레인저 공과대학 마이클 오보일 지음2025년 4월 29일, 물리학 양자 얽힘 현상 개념 설명 연구진은 나노포토닉 플랫폼을 이용하여 비선형 광학을 향상시킴으로써 양자 순간이동에서 94%의 충실도를 달성하고, 주요 잡음 및 효율 문제를 해결했습니다. 출처: SciTechDaily.com
순간이동은 더 이상 공상과학 소설에 나오는 이야기가 아닙니다. 과학자들은 그 어느 때보다 더 명확하고 효율적으로 정보를 전송하는 방법을 찾아냈습니다. 나노포토닉 플랫폼이라는 극히 작은 물질을 사용하여 연구진은 단 하나의 빛 입자만으로도 양자 정보가 얼마나 잘 전달될 수 있는지를 획기적으로 개선했습니다. 이 획기적인 기술은 순간이동이 언젠가 현실 세계의 통신 네트워크에 적용될 수 있음을 의미하며, 한때는 불가능하다고 여겨졌던 방식으로 정보가 공간을 빠르게 가로지르는 미래로 가는 문을 열어줍니다.
비선형 광학: 양자 통신의 핵심 수년 동안 연구자들은 비선형 광학 공정을 사용하면 양자 통신 시스템의 신뢰성을 높이고 특정 유형의 오류에 대한 내성을 높일 수 있다는 사실을 알고 있었습니다. 그러나 초기 시도는 진정한 양자 통신에 필요한 극히 낮은 광량에서 작동할 수 없었기 때문에 어려움을 겪었습니다. 일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스의 한 팀이 중요한 돌파구를 마련했습니다. 그들은 인듐-갈륨-인화물 나노포토닉 플랫폼을 사용하여 비선형 시스템을 구축하여 효율을 크게 향상시켰습니다.
이 접근법은 빛의 가장 작은 단위인 단일 광자까지 훨씬 적은 빛으로도 작동하며, 비선형 광학을 이용한 실용적인 양자 통신을 위한 최초의 실질적인 길을 제시합니다. 양자 충실도 및 효율성의 극적인 향상 "저희 비선형 시스템은 94%의 충실도로 양자 정보를 전송하는데, 이는 선형 광학 부품을 사용하는 시스템의 이론적 한계인 33%보다 훨씬 높습니다."라고 이 프로젝트를 이끄는 일리노이 대학교 전기컴퓨터공학과 교수 케지에 팡은 말했습니다. "이것만으로도 비선형 광학을 이용한 양자 통신의 위력을 입증합니다. 해결해야 할 중요한 문제는 효율성입니다. 나노포토닉스 플랫폼을 사용함으로써 효율성이 충분히 향상되어 이 기술이 유망함을 입증했습니다." 해당 연구는 최근 Physical Review Letters 에 게재되었습니다 .
비선형 합 주파수 생성을 통한 양자 순간이동 비선형 합 주파수 생성(SFG)을 이용한 양자 순간이동. 이 비선형 나노포토닉 플랫폼은 다중광자 잡음을 크게 완화하고 높은 순간이동 충실도를 제공합니다. 출처: 일리노이 대학교
어바나-샴페인 그레인저 공과대학 양자 순간이동이 얽힘을 활용하는 방법 네트워크를 통한 양자 정보 전송은 양자 순간이동 프로토콜을 통해 촉진됩니다. 이 프로토콜에서는 양자 얽힘 현상(일반적으로 단일 광자인 두 양자 물체가 물리적으로 연결되어 있지 않더라도 서로 영향을 미치는 현상)을 활용하여 통신 채널을 통해 전송하지 않고 송신자와 수신자 간에 양자 정보를 전송합니다. 이 절차의 장점은 외부 노이즈와 채널 결함의 영향을 크게 완화한다는 것입니다.
양자 순간이동의 성능을 제한하는 두 가지 요인이 있습니다. 첫째, 표준 선형 광학 부품을 사용하면 전송에 모호성이 발생합니다. 둘째, 얽힌 광자는 오류와 과도한 노이즈가 발생하는 불완전한 공정으로 생성됩니다. 특히, 얽힘 광원에서 한 쌍 이상의 광자가 동시에 생성되는 경우가 많아 순간이동에 사용되는 두 광자가 실제로 얽혀 있는지 불분명합니다. 비선형 광학: 다중 광자 노이즈에 대한 솔루션 "다광자 잡음은 모든 현실적인 얽힘 소스에서 발생하며, 양자 네트워크에 심각한 문제입니다."라고 이 연구의 공동 저자인 일리노이대 물리학과 교수 엘리자베스 골드슈미트는 말했다.
"비선형 광학의 매력은 근본적인 물리학적 원리를 통해 다광자 잡음의 영향을 완화할 수 있다는 점입니다. 이를 통해 불완전한 얽힘 소스에서도 작업이 가능해집니다." 비선형 광학 부품은 서로 다른 주파수의 광자들이 결합되어 새로운 주파수의 광자를 생성합니다. 양자 순간이동의 경우, 두 광자의 주파수가 합쳐져 새로운 광자를 형성하는 "합 주파수 생성"(SFG)이라는 비선형 과정이 사용됩니다 . 그러나 이 과정이 발생하려면 원래 두 광자가 특정 시작 주파수를 가져야 합니다. 합 주파수 생성을 통한 효율성 향상 SFG를 양자 순간이동에 사용할 경우, 동일한 주파수의 두 광자가 감지되면 프로토콜이 진행되지 않습니다.
이를 통해 대부분의 얽힌 광자원에서 발생하는 주요 노이즈를 걸러내고, 그렇지 않은 경우보다 훨씬 높은 순간이동 충실도를 구현할 수 있습니다. SFG 변환의 가장 큰 단점은 SFG 변환이 매우 낮은 확률로 발생하여 순간이동 과정의 효율성을 크게 떨어뜨린다는 것입니다. "연구자들은 이 문제에 대해 오랫동안 알고 있었지만, SFG 성공 확률이 낮아 완전히 연구되지 못했습니다."라고 팡은 말했다.
"과거에는 1억 분의 1의 성공률이었는데, 이번 성과는 나노포토닉 플랫폼을 통해 변환 효율을 1만 분의 1로 1배 향상시킨 것입니다." 미래를 내다보며: 미래 양자 통신 응용 분야 연구진은 비선형 광학 부품을 이용한 양자 순간이동의 효율을 더욱 높일 수 있을 것으로 낙관하고 있습니다. 연구진은 이러한 기술이 얽힘 교환을 포함한 다른 양자 통신 프로토콜에도 활용될 수 있을 것으로 기대합니다.
참고문헌: Joshua Akin, Yunlei Zhao, Paul G. Kwiat, Elizabeth A. Goldschmidt, Kejie Fang 공저, "Faithful Quantum Teleportation via a Nanophotonic Nonlinear Bell State Analyzer", 2025년 4월 22일, Physical Review Letters . DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.160802 조슈아 아킨, 윤레이 자오, 폴 콰트도 이 작업에 기여했습니다. 케지에 팡(Kejie Fang)은 일리노이 그레인저 공과대학(Illinois Grainger Engineering) 전기컴퓨터공학과 및 물리학과 전기컴퓨터공학 부교수입니다. 그는 홀로니악 마이크로 및 나노기술 연구소(Holonyak Micro and Nanotechnology Laboratory)와 일리노이 양자정보과학기술센터(Illinois Quantum Information Science and Technology Center)에 소속되어 있으며, 유엔 티 로(Yuen T. Lo) 교수 연구원입니다. 엘리자베스 골드슈미트는 일리노이 그레인저 공과대학 물리학과와 전기컴퓨터공학과에서 물리학 조교수로 재직 중입니다. 그녀는 재료연구소와 일리노이 양자정보과학기술센터에 소속되어 있습니다.
https://scitechdaily.com/from-sci-fi-to-reality-single-photon-teleportation-breakthrough/
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