Periodically poled thin-film lithium niobate ring Mach Zehnder coupling interferometer as an efficient quantum source of light

양자 역학의 법칙에 따라 작동하는 새로운 종류의 컴퓨터를 구축하려는 탐구 속에서, 과학자들은 빛으로 눈을 돌리고 있습니다. 전기적 스위치를 사용하여 정보를 처리하는 기존의 컴퓨터와 달리, 이 미래형 기계들은 계산을 수행하고 데이터를 전송하기 위해 광자라고 불리는 개별 빛 입자에 의존합니다. 이러한 비전이 현실이 되기 위해서, 엔지니어들은 매우 구체적인 두 가지 유형의 광원을 필요로 합니다. 첫 번째는 단일 광자를 완벽한 타이밍과 추가적인 노이즈 없이 하나씩, 요구할 때마다 내뱉을 수 있는 기계입니다. 두 번째는 빛의 특성에 대한 불확정성이 일반적인 한계 미만으로 감소된 특수한 상태인 '압축된(squeezed)' 빛을 생성하는 광원인데, 이는 다른 분야의 양자 컴퓨팅과 초정밀 센싱에 필수적인 특징입니다. 과제는 이 두 가지 일을 모두 효율적으로 수행하면서도, 낮은 전력을 사용하고, 컴퓨터 칩에 들어갈 만큼 작은 규격으로 구현할 수 있는 단일 장치를 만드는 것이었습니다.

노키아 벨 연구소(Nokia Bell Labs)의 연구팀은 두 가지 고전적인 광학 개념을 하나의 가변형 구조로 결មាន 결합함으로써 이러한 까다로운 요구 사항을 충족하는 설계를 제안했습니다. 그들은 빛을 조절하는 능력으로 유명한 결정인 리튬 니오베이트(lithium niobate) 박막으로 만들어진 링 공진기(ring resonator)를 기반으로 한 장치를 설명합니다. 이 링은 빛을 두 경로로 나누었다가 다시 결합하는 설정인 마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer)에 연결되어 있습니다. 핵심 혁신은 연구자들이 열을 사용하여 장치를 제어하는 방식에 있습니다. 칩 위에 아주 작은 히터를 배치함으로써, 그들은 빛의 경로 온도를 정밀하게 조절할 수 있습니다. 이러한 열적 튜닝(thermal tuning)을 통해, 연구자들은 칩의 물리적 구조를 변경하지 않고도 빛이 링에 들어오고 나가는 방식을 제 변경할 수 있습니다. 이러한 유연성은 매우 중요한데, 이는 장치를 압축된 빛 생성과 단일 광자 생성이라는 두 가지 서로 다른 작업에 최적화할 수 있게 해주기 때문입니다.

연구진이 이 장치의 거동을 시뮬레이션했을 때, 이 장치가 압축된 빛을 생성하는 매우 효율적인 엔진 역할을 할 수 있음을 발견했습니다. 특정 파장의 레이저 빔으로 장치에 펌핑을 함으로써, 연구진은 링이 한 가지 특성의 노이즈가 억제된 빛의 상태를 생성할 수 있음을 보여주었습니다. 그들의 계산에 따르면, 1밀리와트 미만의 매우 낮은 펌프 전력으로도 -12데시벨의 압축 수준을 달ся достичь 할 수 있습니다. 이는 이전의 칩 기반 압축 빛 생성 시도가 훨씬 높은 전력을 요구하거나 품질이 낮았던 것과 비교할 때 매우 유의미한 결과입니다. 또한, 이 설계는 약간 더 많은 전력을 사용하는 대신 더 높은 수준의 압축(최대 -19데시벨까지)에 도달할 수 있도록 장치를 튜닝할 수 있게 해줍니다. 이처럼 낮은 에너지 소비로 이를 수행할 수 있는 능력은 매우 중요한데, 이는 장치가 거대한 외부 장비가 아닌 작은 온칩(on-chip) 레이저에 의해 구동될 수 있음을 의미하기 때문입니다.

동일한 장치는 선형 광학 양자 컴퓨팅의 구성 요소인 단일 광자를 생성하는 능력도 입증했습니다. 이를 위해 연구진은 펌프 빔의 광자가 링 내부에서 한 쌍의 광자로 분리되는 과정을 시뮬레이션했습니다. 이 중 하나의 광자는 신호(signal) 역할을 하고, 다른 하나는 신호 광자가 생성되었음을 알리는 예고(herald) 역할을 합니다. 연구진은 간섭계의 온도를 세심하게 조절함으로써, 예고된 광자가 실제로 존재할 확률인 예고 효율(heralding efficiency)이 94~99%에 달하도록 할 수 있음을 발견했습니다. 이 높은 효율은 양자 컴퓨터가 도착하지 않을 광자를 기다리며 시간을 낭비하지 않도록 보장하는 데 필수적입니다. 그러나 이러한 시스템에서 흔히 발생하는 문제는 광자들이 종종 '불순(impure)'하다는 것인데, 이는 광자들이 복잡한 계산에 유용하게 쓰이는 것을 방정하는 방식으로 다른 특성들과 얽혀 있음을 의미합니다.

이 불순 문제를 해결하기 위해, 연구진은 장치를 펌핑하는 방식에 영리한 수정을 제안했습니다. 단일하고 연속적인 빛의 펄스를 사용하는 대신, 아주 짧은 시간 차를 두고 두 개의 짧은 펄스를 사용하는 방식을 시뮬레이션했습니다. 이 이중 펄스 접근 방식은 광자 사이의 원치 않는 연결을 끊어냄으로써, 높은 예고 효율을 유지하면서도 최대 99%의 순도(purity)를 얻을 수 있게 해주었습니다. 이 방법이 초기에는 광자 생성율을 감소시키는 것처럼 보였으나, 연구진은 이러한 손실을 펌프 펄스의 피크 전력을 높이는 것만으로 쉽게 회복할 수 있다고 언급했습니다. 시뮬레이션 결과에 따르면, 표준 반복률과 펄스 지속 시간을 사용할 때 적절한 전력 증가만으로도 생성율을 덜 순수한 방법들과 대등한 수준으로 복구할 수 있습니다.

제안된 설계는 오늘날 이미 사용 가능한 재료와 제조 기술에 전적으로 의존합니다. 박막 리튬 니오베이트와 표준 열 히터를 사용하는 이 장치는 기존의 산업 공정을 사용하여 제조될 수 있으므로, 단순한 이론적 호기심이 아닌 실질적인 진전이 될 수 있습니다. 단일 가변형 링 공진기가 고품질의 압축된 빛과 순수한 단일 광자를 모두 생성할 수 있음을 입증함으로써, 연구진은 광자 양자 컴퓨팅의 두 가지 가장 중요한 요구 사항에 대한 일반화된 솔루션을 제시했습니다. 그들의 연구는 확장 가능한 양자 컴퓨터로 가는 길이 완전히 새로운 재료나 불가능한 공학적 성취를 요구하는 것이 아니라, 이미 손에 닿을 수 있는 범위 내에 있는 칩 안에서 빛을 지능적이고 정밀하게 제어하는 데 있음을 시사합니다.