다중화 기법으로 원거리 이온-이온 얽힘 생성 속도 4.59배 향상

연구 배경: 원거리 얽힘 생성의 병목

양자 네트워크에서 두 노드 간 얽힘을 생성할 때 가장 큰 걸림돌은 왕복 통신 지연(round-trip latency)이다. 광자를 전송하고 성공 여부를 확인하는 데 걸리는 시간이 길수록 단위 시간당 얽힘 생성 횟수가 급격히 줄어든다. 기존에는 고반사율 광학 공진기(high-finesse cavity)를 사용해 이 문제를 완화했으나, 이는 실험 구성의 복잡도를 크게 높인다.

청화대·허페이국가실험실 연구팀은 이 문제를 다중화 방식으로 풀고자 했다. 다중화는 하나의 통신 채널로 여러 신호를 동시에 전송하는 기법으로, 고전 통신에서는 이미 광범위하게 쓰인다. 연구팀은 이 원리를 양자 영역에 적용해 이온-광자 얽힘 생성 시도를 병렬로 실행함으로써 실질적인 얽힘 생성 속도를 높이는 방안을 연구해 왔다.

실험 구성: 포획이온 2노드 네트워크

실험에는 ⁴⁰Ca⁺ 이온이 사용됐다. 이 이온은 866 nm 근적외선 파장의 광자를 방출하지만, 해당 전이(transition)의 분기비(branching ratio)가 약 6%에 불과해 원하는 광자가 생성될 확률이 낮다는 단점이 있다. 연구팀은 이를 보완하기 위해 한 번의 시도에서 이온을 여러 차례 들뜨게 하는 다중 여기(multiple excitation) 방식을 도입했다.

두 포획이온 노드는 각각 600 m의 광섬유를 통해 중앙 측정 스테이션에 연결되며, 전체 노드 간 거리는 1.2 km이다. 각 노드에서 방출된 광자는 중앙 스테이션에서 간섭되어 광자 벨 상태 측정(BSM)을 거친다. 검출기에서 특정 동시 계수 패턴이 관측되면 두 이온 사이의 얽힘 생성이 성공적으로 이루어졌음을 사전예고(herald)한다.

핵심 성과: 시간 모드 10개 활용과 충실도 기록

연구팀은 한 라운드당 10개의 시간 모드를 병렬 활용해 얽힘 생성 시도를 동시 진행했다. 그 결과 기존 단일 모드 대비 이온-이온 얽힘 생성률이 4.59배 향상됐다. 생성된 얽힘 상태의 위상 안정성은 실시간 위상 보정 기법으로 유지했으며, 양자 상태 단층촬영(quantum state tomography)으로 측정한 얽힘 충실도는 95.9%를 기록했다.

이 값은 실험실 밖 규모(>수백 m)에서 측정된 사전예고 물질-물질 얽힘으로서는 최고 충실도이다. 또한 레이저 냉각 원자 시스템에서 다중 모드 강화 스핀-스핀 얽힘을 시연한 것은 이번이 처음이다. 기존에는 고체 소자 시스템에서만 유사한 결과가 보고된 바 있다.

기술적 함의와 한계

자유공간 광학 배치에서 고반사율 공진기 없이 낮은 분기비 문제를 극복한 점은 실용 측면에서 의미 있다. 연구팀은 이 방법이 1,650 nm 전이를 사용하는 이터븀(Yb⁺) 이온 등 텔레콤 파장 전이를 갖되 분기비가 낮은 다른 원자 시스템에도 적용 가능하다고 밝혔다.

다만 현재 실험은 2광자 사전예고 방식을 사용해 효율이 제한된다. 연구팀은 향후 단일광자 사전예고 방식과 이온 이동(ion shuttling) 및 AOD 어드레싱 같은 추가 다중화 기법을 결합해 얽힘 생성률을 노드 결어긋남률(decoherence rate)보다 높이는 것을 목표로 삼고 있다. 이 임계값을 넘어서야 1,000 km 이상의 장거리 양자 중계기 구현이 현실적으로 가능해진다.