양자 인터넷이 필요로 하는 것: 메모리
양자 인터넷 구현의 핵심 구성 요소는 양자 중계기다. 고전 네트워크와 달리, 양자 정보는 증폭 없이 장거리 전송 시 손실되기 때문에, 중간 노드에서 얽힘을 분산시키는 방식으로 거리 한계를 극복한다. 이 과정에서 양자 메모리는 서로 다른 네트워크 구간 간 측정을 동기화할 수 있도록 양자 상태를 충분히 오래 유지해야 한다. 저장 시간이 짧을수록 연결 가능한 거리와 성공률이 제한된다.
실험 구성과 AFC 프로토콜
ICFO의 Hugues de Riedmatten 교수 연구팀은 얽힘 광자쌍을 생성한 뒤, 한 광자는 광섬유 장거리 전송에 적합한 통신 대역 파장으로, 다른 하나는 3켈빈으로 냉각된 극저온 용기 속 프라세오디뮴 이온 도핑 결정과 호환되는 파장으로 분리했다. 결정 내에서는 원자 주파수 빗(AFC) 프로토콜이 적용됐다. 결정 내 원자들이 입사 광자를 집단적으로 흡수해 탈국소화된 원자 여기 상태를 만들고, 광학 제어 펄스가 이 여기 상태를 발광하지 않는 스핀 상태로 전환해 광자 방출을 일시 정지시킨다. 이후 두 번째 제어 펄스로 원자 앙상블을 다시 여기 상태로 돌려 원본 정보를 담은 광자를 방출시킨다.
탈위상 문제와 스핀 재위상 해법
스핀 상태에서 집단 여기가 무한히 유지되지 않는 이유는 탈위상 현상 때문이다. 결정 내 각 이온이 처한 국소 환경이 미세하게 달라, 시간이 지날수록 각 이온이 축적하는 위상이 제각각으로 흩어져 결맞음을 잃는다. 스핀 재위상은 일련의 라디오주파수 펄스를 주기적으로 가해 각 이온에 누적된 위상을 반전시키는 방식으로 이 문제에 대응한다. 반전 후 동일한 시간이 경과하면 새로 쌓인 위상이 반전된 위상과 상쇄되어 집단 스핀 여기가 복원된다.
성과와 의미
연구팀은 다수의 라디오주파수 펄스로 재위상 시점을 정밀 제어해 단일 광자를 최대 180마이크로초 동안 저장했다. 이는 광섬유 환산 거리로 30킬로미터 이상에 해당하며, 동류 메모리 중 최장 기록이다. 더 중요한 점은 이 실험이 양자 광원을 사용했다는 것이다. 스핀 재위상은 과거에도 시연된 바 있으나 고전 입력 상태에만 적용됐는데, 이번 연구는 단일 광자처럼 양자 상관관계를 가진 빛에서도 동일하게 작동함을 처음으로 확인했다. 재위상 후 메모리에서 방출된 광자와 통신 대역 광자 사이에 양자 상관관계가 유지됐다. 연구팀은 소형 자기장 인가를 통해 향후 저장 시간을 추가로 연장할 수 있다고 밝혔다. 이번 연구는 유럽 Quantum Internet Alliance(QIA) 프레임워크 내에서 수행됐으며, 프라세오디뮴 도핑 메모리가 확장 가능한 양자 네트워크 구현의 유력 후보임을 뒷받침하는 실험적 근거를 제공한다.
원문 인용
“Spin rephasing had been demonstrated in the past with classical input states, but our results show that it can be extended to quantum light.”
“In the future, longer storage times will be available by applying small magnetic fields to the quantum memory.”
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이 글은 Claude 가 원문의 사실을 재구성한 편집 요약입니다. 원제: Spin rephasing helps quantum memories store single-photon states longer for future networks
