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마이크로파 광자는 광학 광자와 얽혀 있습니다 – Physics World

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양자 컴퓨팅 개념 그림
진전: 이 최신 얽힘 성과는 더 나은 양자 컴퓨터로 이어질 수 있습니다. (제공: iStock/Devrimb)

마이크로파와 광학 광자를 얽히게 하는 프로토콜이 오스트리아의 연구원들에 의해 입증되었습니다. 이것은 극초단파 주파수 회로가 광섬유를 통해 양자 정보를 교환할 수 있도록 함으로써 양자 인터넷 형성의 핵심 문제 중 하나를 극복하는 데 도움이 될 가능성이 있습니다.

양자 인터넷을 뒷받침하는 핵심 비전은 2008년에 제프 킴블 미국 Caltech의 – 네트워크로 연결된 양자 프로세서가 기존 컴퓨터가 인터넷을 통해 고전 정보를 교환하는 것처럼 양자 정보를 교환할 수 있다는 것입니다. 그러나 양자 정보를 전송하는 것은 훨씬 더 어렵습니다. 배경 잡음이 디코히어런스(decoherence)라는 과정에서 양자 중첩을 파괴할 수 있기 때문입니다.

IBM의 Osprey와 같이 현존하는 가장 강력한 양자 컴퓨터는 초전도 큐비트를 사용합니다. 이들은 극초단파 주파수에서 작동하므로 배경 열복사에 의한 중단에 매우 취약하며 극저온에서 보관해야 하는 이유를 설명합니다. 또한 초전도 큐비트 간에 정보를 전송하는 것도 매우 어렵게 만듭니다. "[한 가지 방법]은 초저온 링크를 구축하는 것"이라고 설명합니다. 요하네스 핑크 Klosterneuburg에 있는 과학 기술 오스트리아 연구소. "기록은 바로 에 게시 자연 [에 의해 안드레아스 월라프의 그룹 스위스 ETH Zurich와 동료]: 30–10mK에서 50m – 확장에 몇 가지 어려움이 있습니다.” 대조적으로, 그는 "광섬유는 통신에 정말 잘 작동합니다. 우리는 인터넷 서핑을 할 때 항상 광섬유를 사용합니다."라고 말합니다.

양자 변환

따라서 광자를 광섬유로 전송하여 마이크로웨이브 큐비트 간에 양자 정보를 전송할 수 있는 방식은 매우 가치가 있습니다. 가장 직접적인 접근 방식은 양자 변환으로, 세 번째 광자와의 상호 작용에 의해 마이크로파 광자가 광섬유를 따라 전송될 수 있는 광학 광자로 상향 변환됩니다.

불행하게도 이 프로세스의 실제 구현은 손실과 노이즈를 모두 발생시킵니다. 학생 리샤브 사후, 이 최신 연구를 설명하는 논문의 공동 제XNUMX저자입니다. "이 두 가지 모두 변환의 충실도를 떨어뜨립니다."

양자 정보를 전송하는 또 다른 방법은 양자 순간이동이라고 불리며 1997년 인스브루크 대학의 Anton Zeilinger 그룹에 의해 실험적으로 시연되었습니다. 2022년 노벨 물리학상. 큐비트가 얽힌 쌍의 한 광자와 상호 작용하면 자체 양자 상태가 두 번째 광자와 얽히게 됩니다.

얽힘 교환

이 두 번째 광자가 소위 벨 상태 측정을 통해 두 번째 네트워크 노드에서 동일하게 준비된 전송 광자와 상호 작용하기 위해 저손실 광섬유를 따라 이동할 수 있다면 주변 조건에서 양자 네트워크를 생성할 수 있습니다. 이것은 원격 초전도 큐비트 간에 "얽힘 교환"을 수행합니다.

얽힌 광자 쌍은 하나의 광자가 두 개로 분할되는 자발적 파라메트릭 하향 변환이라는 프로세스에 의해 생성됩니다. 그러나 이전에는 에너지가 10,000배 이상 차이가 나는 얽힌 광자 쌍을 생성한 사람은 아무도 없었습니다. 이 차이는 약 1550nm의 광학 통신 파장에서 광자를 포함합니다. 다른 하나는 약 3cm의 마이크로파 파장입니다.

Fink 그룹은 통신 파장에서 고출력 레이저를 사용하여 마이크로웨이브 공진기의 일부인 리튬 니오베이트 광학 공진기를 펌핑했습니다. 대부분의 레이저 광은 공진기에서 변경되지 않은 상태로 되돌아와 필터링되었습니다. 그러나 펄스당 약 XNUMX개의 광자가 XNUMX개의 얽힌 광자로 분리됩니다. 하나는 마이크로웨이브이고 다른 하나는 펌프 광자보다 약간 더 긴 파장입니다.

“우리는 두 전자기장 변동의 공분산을 측정하여 이 얽힘을 확인했습니다. 우리는 고전적으로 허용된 것보다 더 강한 마이크로파-광학 상관관계를 발견했는데, 이는 두 필드가 얽힌 상태에 있음을 의미합니다.” 말한다 류추, 연구를 설명하는 논문의 박사후 연구원이자 공동 제XNUMX저자. 연구원들은 이제 이 얽힘을 큐비트 및 실온 섬유로 확장하고 양자 순간 이동을 구현하고 별도의 희석 냉장고에서 큐비트를 얽히기를 희망합니다.

알렉상드르 블라이스 캐나다 셔브룩 대학교(Université de Sherbrooke)의 자연 그는 Fink와 동료의 작업에 깊은 인상을 받았습니다. “일반적으로 광학 장치와 전자레인지는 서로 대화하지 않습니다. 광학은 정말 높은 에너지이며 마이크로웨이브 회로의 양자 결맞음 특성을 망치는 경향이 있습니다. 이제 [연구자들]은 스탠딩 광자를 가지고 있습니다. 그 정보를 다른 냉장고로 옮기고 싶다면 그 정보를 광섬유의 날아다니는 광자로 옮겨야 하고 거기에서 손실이 있을 것입니다. 그런 다음 그 광자는 그 섬유 아래로 이동하여 두 번째 냉장고에 들어가서 약간의 마법을 행해야 합니다. 이것이 이제 모든 것을 쉽게 만든다고 생각해서는 안 됩니다. 단지 시작에 불과하지만 그것이 실험의 품질을 앗아가는 것은 아닙니다. ”

연구는 다음에 설명되어 있습니다. 과학.

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