여기에서 저기까지 온전한 큐비트를 가져오는 것은 모든 양자 인터넷 계획의 기본적인 과제입니다. 이제 시카고 대학, 스탠포드 대학, 캘리포니아 공과대학의 과학자들은 체인으로 연결된 진공 빔 가이드(VBG)를 사용하여 양자 데이터를 전송하는 방법에 대한 완전히 새로운 아이디어를 도입했습니다.

"손실 양자 채널의 과제를 해결함으로써, 우리의 고처리량 VBG는 양자 네트워크를 혁신하여 글로벌 규모의 보안 양자 통신, 초장거리 광학 망원경, 시계의 양자 네트워크, 양자 데이터 센터, 위임 양자 컴퓨팅과 같은 다양한 흥미로운 새로운 양자 네트워크 애플리케이션을 구현할 잠재력을 가지고 있습니다." 연구자들은 APS Physical Review Letters에 방금 게재한 논문 에서 이렇게 기술했습니다 .

시카고 대학에서 게시한 연구에 대한 기사에 설명된 대로, "직경이 약 20cm인 진공 빔 가이드는 수천 킬로미터의 범위와 초당 10조 큐비트의 용량을 가질 것이며, 이는 기존의 양자 통신 방식보다 더 뛰어납니다. 양자 데이터를 인코딩하는 빛의 광자는 진공관을 통과하고 렌즈 덕분에 초점을 유지합니다. "이런 종류의 네트워크가 실현 가능하고 많은 잠재력이 있다고 믿습니다."라고  분자 공학 교수이자 새로운 연구의 수석 저자인 량 지앙이 말했습니다.

양자 인터넷을 구축하려는 경쟁은 실용적인 양자 컴퓨터를 구축하려는 경쟁과 마찬가지로 최근 몇 년 동안 더욱 세계화되고 치열해졌습니다. 밝혀진 바에 따르면 시카고 대학교는 처음부터 이러한 노력의 주요 참여자였습니다. 거의 정확히 4년 전 시카고 대학교와 Argonne National Lab은 DOE 청사진을 공개하는 에너지부 행사를 주최했습니다. 당시 시카고 대학교와 Argonne은 이미 52마일 양자 네트워크 루프를 가동하고 있었습니다.

놀랍지 않게도 양자 인터넷을 구축하는 데는 실용적인 중계기 개발과 양자 메모리를 포함한 많은 과제가 있습니다. 최근 베이징 칭화대 연구자들은 72개의 광학 큐비트를 보유한 새로운 프로그래밍 가능한 양자 메모리 프레임워크를 성공적으로 개발하고 테스트 했다고 보고했습니다 .

최신 논문은 전송 문제를 요약하는 훌륭한 작업을 수행합니다. "글로벌 규모의 양자 네트워크를 위한 효과적인 저손실 양자 채널을 구축하는 것은 뛰어난 과제이며, 이를 통해 보안 양자 통신, 분산 양자 감지 및 네트워크 기반 양자 계산의 혁신적인 응용 프로그램을 구현할 수 있습니다. 주요 장애물은 광 채널의 흡수 손실로, 광섬유 및 자유 공간 채널의 경우 감쇠 길이가 수십 킬로미터로 제한되어 장거리에서 직접 양자 통신 속도가 기하급수적으로 감소합니다."라고 연구자들은 기록했습니다.

연구자들은 "1200km에 달하는 위성 기반 양자 얽힘 분포와 반복기 없는 경계를 넘어선 메모리 강화 양자 통신을 포함하여 양자 네트워크의 통신 거리를 확장하는 데 상당한 진전이 있었습니다. 그러나 위성 기반 양자 채널은 취약하고 비용이 많이 들며 지역 기상 조건에 의해 제한을 받습니다. 더욱이 완전한 양자 오류 정정이 없는 양자 반복기는 장거리에서 통신 속도가 다항식으로 감소합니다. 따라서 광범위한 광 주파수에 대해 10 4 km 의 대륙적 규모(감쇠율이 10-4 dB/km 수준 )와 같은 광대한 거리에서 양자 신호를 직접 전송할 수 있는 안정적인 양자 채널을 구축하는 것이 매우 바람직합니다."라고 말합니다.

시카고 대학이 이끄는 팀은 진공 빔 가이드를 사용하는 그들의 접근 방식이 기존 파이버 접근 방식보다 훨씬 더 뛰어나며 반복기의 필요성을 줄일 수 있다고 주장합니다. 다음은 그들의 논문(대규모 양자 네트워크를 위한 진공 빔 가이드)의 초록입니다.

"진공 빔 가이드(VBG)는 장거리 양자 통신을 위한 기존 광섬유 및 위성 기술의 한계를 극복하기 위한 양자 채널에 대한 완전히 다른 솔루션을 제공합니다. 수 킬로미터 간격으로 정렬된 렌즈 배열을 갖춘 VBG는 광범위한 광 파장에 걸쳐 초고투명도를 제공합니다. 현실적인 매개변수를 통해 VBG는 감쇠율 측면에서 최상의 광섬유보다 3배 더 우수한 성능을 낼 수 있습니다. 결과적으로 VBG는 최첨단 양자 위성 통신 속도보다 10 13 qubit/sec를 넘는 양자 채널 용량으로 수천 킬로미터에 걸쳐 장거리 양자 통신을 가능하게 할 수 있습니다. 주목할 점은 양자 리피터에 의존하지 않고도 VBG는 컴퓨팅, 통신 및 감지를 위한 새로운 분산 양자 정보 애플리케이션을 가능하게 하는 지상 기반, 저손실, 고대역폭 양자 채널을 제공할 수 있다는 것입니다."

과학자들은 VBG가 가시광선으로 작동하도록 설계했으며, "충분히 작은 렌즈 거칠기를 달성할 수 있다면 더 큰 공기 투과 창과 저손실 렌즈 소재가 유리할 것"이며, 더 짧은 파장과 감소된 빔 허리 w 0 ∝ λ 1/2 를 맞추기 위해 더 나은 횡단 정렬이 필요합니다 . 그들은 실제로 VBG의 성능과 비용 사이에 상충 관계가 있을 것이라고 언급하며 "원하는 균형을 달성하기 위해 설계 매개변수를 최적화할 수 있다"고 말합니다.

결론적으로, 그들은 이렇게 보고합니다. "우리는 10 4 km 이상의 효과적인 감쇠 길이와 큰 통신 대역폭을 가진 매우 투명하고 신뢰할 수 있는 광 양자 채널을 구현할 수 있는 지상 기반 VBG 계획을 제시했습니다 . 현재 사용 가능한 기술을 사용하여 VBG는 대륙 규모에서 10 13 큐비트/초 이상의 초고 양자 용량을 가진 원격 양자 장치를 연결하는 연속 양자 채널을 구축할 수 있으며 , 이는 위성과 양자 중계기를 사용하는 다른 접근 방식보다 수십 배 더 높습니다."

▷ 원문보기 : https://www.hpcwire.com/2024/07/22/researchers-propose-new-solution-to-quantum-internet-transmission-problem/