왜 광자 저장이 어려운가
양자 정보는 광자(빛 입자)를 통해 전달된다. 칩 내부에서 다른 양자 연산이 진행되는 동안 광자를 잠시 멈춰 두는 '메모리' 기능이 필요하지만, 이는 기술적으로 극히 까다롭다. 칩의 물리적 크기는 약 1센티미터에 불과해, 빛이 그 거리를 통과하는 데 걸리는 시간은 수 조분의 일 초에 그친다. 1마이크로초 수준의 저장이 실현된다면 칩 기반 양자 시스템의 역량을 크게 끌어올릴 수 있다.
기존에는 두 가지 방식이 활용됐다. 첫째, 광섬유나 거울 같은 거시적 부품을 이용해 빛의 경로를 물리적으로 연장하는 방법이다. 그러나 광자는 물질에 쉽게 흡수되기 때문에 경로가 길수록 손실이 커져 실용성이 낮다. 둘째, 원자와 광자를 결합해 원자가 빛을 잠시 보유하게 하는 방식인데, 이를 나노포토닉 칩과 통합하는 것은 현재까지 대부분 구현 불가능한 수준이었다.
원자 주파수 빗과 스펙트럴 홀 버닝 기술
UIUC Grainger 공과대학의 Elizabeth Goldschmidt 교수 연구팀은 희토류 도핑 소재 연구와 스펙트럴 홀 버닝 기반 느린빛(slow light) 기법을 결합해 이 문제에 접근했다. 연구팀은 강한 빛 구속력, 낮은 광학 손실, 웨이퍼 규모 집적에 유리한 박막 리튬나이오베이트(TFLN)를 기반으로 나노스케일 도파로를 제작하고, 여기에 양자 특성이 우수한 얼비움 원자를 도핑했다.
조율 가능한 레이저를 활용해 얼비움 원자들의 에너지 상태를 일정한 주파수 간격으로 배열하면 '원자 주파수 빗(atomic frequency comb)'이 형성된다. 이 구조에서 원자들은 입사 광자를 미리 설정된 시간 동안 포획·보유했다가 방출한다. 이 과정에서 양자 정보의 충실도가 높게 유지됐으며, 1마이크로초를 넘는 저장 시간과 복수 광자 동시 저장이 확인됐다.
핵심 강점: 상업적 확장 가능성
이 연구의 차별점은 단순한 실험실 성과에 그치지 않는다는 점이다. TFLN은 반도체 산업과 호환되는 웨이퍼 규모 제조 공정을 지원하므로, 연구팀의 플랫폼은 양자 광학 비전문 업체도 양산할 수 있는 구조를 갖추고 있다. 연구팀은 이 장치가 일회성 맞춤 제작물이 아니라 재현 가능한 설계임을 강조했다.
한계와 향후 과제
실용적 양자 메모리가 되려면 광자 회수 효율 향상과 저장 시간 추가 연장이 필요하다. 연구팀은 주파수 빗 성능 개선 및 잡음에 더 강한 얼비움 동위원소 적용을 통해 이 문제를 해결할 계획이다. Goldschmidt 교수팀은 동일한 스펙트럴 조정 기법을 활용해 양자 포토닉스 분야의 다른 소자 개발도 병행하고 있다.
원문 인용
“No one else has stored light on a chip in a platform like this, with this potential for scalability.”
“Long delays are an outstanding problem in quantum information processing.”
“This is not a one-off bespoke device.”
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이 글은 Claude 가 원문의 사실을 재구성한 편집 요약입니다. 원제: Quantum chip holds multiple photons at once, opening path to scalable memory
