양자 인터넷 세상을 여는 광 입자의 형상 제어 기술

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-18

네덜란드와 독일 연구진은 양자 인터넷 세상을 도래할 수 있게 하는 새로운 연구결과를 발표했다. 이 연구에서는 광 입자의 형상을 제어할 수 있는 새로운 방법을 제시하고 있다. 반도체 마이크로공동(microcavity) 속의 단일 여기자는 공동 양자전기역학(quantum electrodynamics)을 위한 고체 상태의 플랫폼으로 제안되고 있다. 이것은 차세대 양자 네트워크 속의 광자 및 여기자 양자 비트 사이의 인터페이스를 가능하게 한다. 단일-광자 방출과 강한 결합 영역이 증명되었지만, 광 입자의 형성 제어를 할 수 없기 때문에 추가적인 향상이 어려웠다. 광 신호를 통해서 네트워크 속의 컴퓨터와 연결하는 것과 동일한 방식으로, ‘양자 인터넷’으로 차세대 양자 컴퓨터를 연결할 수 있게 될 것이다. 광 신호는 각각의 광 입자 또는 광자로 구성된다. 양자 인터넷이 작동하기 위한 한 가지 전제 조건은 이런 광자의 형상을 제어하는 것이다. 아인트호벤 대학(Eindhoven University of Technology)과 FOM 재단의 연구진은 짧은 시간 내에 이런 제어를 달성하는데 최초로 성공했다. 이 연구결과는 저널 Nature Communications에 12월 15일자로 게재되었다. 양자 컴퓨터는 차세대 컴퓨터이다. 그들은 계산을 수행하기 위해서 가장 작은 입자(양자 역학으로 설명되는 것들)의 독특한 물리적 특성을 이용한다. 오늘날의 컴퓨터들은 0 또는 1 중의 한 가지 비트를 사용하지만, 양자 컴퓨터는 ‘큐비트(qubit)`로 계산을 수행하는데, 이것은 동시에 0과 1을 가질 수 있다. 이것은 매우 큰 계산 능력을 가질 수 있게 하기 때문에, 양자 컴퓨터가 오늘날의 컴퓨터보다 훨씬 더 큰 능력을 가질 수 있다. 양자 컴퓨터는 ‘양자 인터넷’을 생성하도록 각각의 광자를 교환함으로써 서로 통신할 수 있다. 다시 말하면, 광자의 형상은 그들의 에너지가 시간이 지남에 따라서 어떻게 분포되는지를 보여주고, 성공적인 정보 전달에 중요한 역할을 한다. 원자에 의해서 방출되는 광자들은 비대칭 형상을 일반적으로 가지지만, 시간이 지남에 따라서 이런 형상은 대칭적이어야 한다. 따라서 이 프로세스는 양자 인터넷을 생성하기 위해서 외부 제어가 필요하다. 이번 연구진은 포토닉스 결정 속에 양자점을 삽입함으로써 원하는 제어를 얻는데 성공했다. 이것은 광학적 공동을 생성한다. 양자점은 광자를 전달할 수 있는 반도체 물질의 조각이다. 그 후에 이번 연구진은 공동에 매우 짧은 전기 펄스를 인가했는데, 이것은 양자점이 이것과 어떻게 상호작용하고 광자가 어떻게 방출되는지에 영향을 끼친다. 이런 펄스의 강도를 변화시킴으로써, 이번 연구진은 전달된 광자의 형상을 제어할 수 있었다. 이번 연구진은 나노세컨드(nanosecond, 1 초의 1억분의 1)보다 더 짧은 전기 펄스를 사용했기 때문에 이것을 최초로 달성할 수 있었다. 이것은 양자 통신 분야에 매우 중요하게 적용될 수 있을 것이다. “광자의 방출은 1 나노세컨드 동안에만 지속되기 때문에, 당신이 모든 것을 변화시키기를 원한다면, 이 시간 내에 이것을 수행해야 한다. 이것은 고속 카메라의 셔터와 같은 역할을 하고, 당신이 이미지 속의 매우 빠르게 변하는 어떤 것을 수집하기를 원한다면 매우 짧아야 한다. 당신은 광자를 보내는 속도를 제어함으로써, 매우 효과적인 광자 교환을 달성할 수 있는데, 이것은 차세대 양자 인터넷에 중요한 역할을 한다”고 이 연구를 이끌었던 Andrea Fiore가 설명했다. 이 연구결과는 저널 Nature Communications에 “Dynamically controlling the emission of single excitons in photonic crystal cavities” 라는 제목으로 게재되었다. 그림 1. 초고속 포토닉스 결정 공동 다이오드의 주사전자현미경 이미지와 특성. 그림 2. Static Stark 조정 및 자발적인 방출 제어를 보여주는 이미지. noname017.bmp 2.bmp http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=38451.php