High-fidelity entanglement of two spectrally-distinct solid state emitters
본 논문은 광학적으로 동일한 방출체를 요구하는 기존 프로토콜의 확장성 한계를 극복하기 위해, 상당한 스펙트럼 및 선폭 변화를 가진 고체 상태 방출체 사이에서 고충실도 얽힘(concurrence 0.95)을 달성하기 위해 쉽게 구할 수 있는 얽힌 광자를 사용하는 방법을 제시한다.
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양자 인터넷을 구축하려는 탐구는 서로 떨어진 하드웨어 조각들을 '얽힘(entanglement)'이라 불리는 하나의 보이지 않는 연결로 공유하도록 결합하는 근본적인 기술에 달려 있습니다. 일단 연결되면 아무리 멀리 떨어져 있어도 하나의 단위처럼 행동하는 두 개의 먼 장치를 상상해 보십시오. 이 현상은 미래의 양자 네트워크의 중추이며, 우리가 계산하고, 세상을 감지하며, 안전하게 통신하는 방식을 혁신할 것을 약사합니다. 이를 실현하기 위해 과학자들은 고체 상태 방출체(단일 광자를 방출하는 아주 작은 고체 물질 덩어리)를 하나의 통합된 시스템으로 연결해야 합니다. 문제는 이 방출체들이 마치 눈송이와 같아서, 두 개가 완전히 똑같지 않다는 점이었습니다. 극도로 세심하게 제조하더라도, 이들은 자연적으로 약간 다른 주파수로 진동하며 방출하는 빛의 색 너비 또한 미세하게 다릅니다. 수년간 지배적이었던 이들을 연결하는 방법은 이 작은 광원들이 완벽하게 동일해야 한다는 요구를 필요로 했으며, 이는 수백만 개의 결점 없는 동일한 부품을 제조해야 하는 거의 불가능한 과제를 안겨주어 기술의 규모를 키우는 것을 매우 어렵게 만들었습니다.
셰필드 대학교의 연구진은 이제 이 엄격한 요구 사항을 완전히 우회하는 방법을 입증했습니다. 새로운 연구에서 그들은 스펙트럼이 서로 다른, 즉 빛을 방출하는 주파수가 상당히 다르고 선폭(linewidth) 또한 다른 두 개의 고체 상태 방출체를 얽히게 만드는 방법을 보여주었습니다. 연구진은 방출체들을 동일하게 만들려고 노력하는 대신, 이미 서로 연결되어 있는 한 쌍의 얽힌 광자(entangled photons)를 사용하여 그 간극을 메웠습니다. 그들은 복잡한 광학 스위치보드 역할을 하는 마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer)라고 불리는 장치의 두 갈래 길에 서로 다른 두 방출체를 배치했습니다. 이 시스템 안으로, 연구진은 두 개의 서로 다른 방출체의 고유한 주파수에 맞춰 조정된 한 쌍의 광자를 보냈습니다. 쌍을 이룬 광자 중 하나는 첫 번째 방출체와 공명하도록 설계되었고, 그 짝이 되는 광자는 두 번째 방출체에 맞춰 조정되었습니다.
이 과정은 빛이 어느 경로를 통과했는지에 대한 정보를 지움으로써 작동합니다. 얽힌 광자들이 방출체와 상호작용할 때, 광자들은 각 방출체의 특정 특성에 따라 산란됩니다. 그러나 광자들이 특수한 얽힘 상태로 준비되었기 때문에, 시스템은 광자들이 장치를 빠져나와 검출될 때 어떤 방출체와 상호작용했는지 알 수 없도록 설계되었습니다. 이러한 '경로 정보(which-path information)'의 상실이 핵심입니다. 이것이 두 방출체를 하나의 공유된 얽힘 상태로 강제합니다. 연구진은 이 방법이 방출체 간의 주파수 차이가 매우 클 때, 즉 방출선의 자연적인 폭보다 훨씬 클 때도 작동한다는 것을 발견했습니다. 일반적인 양자점(quantum dots)을 사용한 시뮬레이션에서, 주파수 차이가 0.449 나노미터이고 선폭이 약 25~29 피코미터일 때, 연구팀은 '컨커런스(concurrence)'라 불리는 얽힘 척도 0.95를 달-성했습니다. 이 값은 가능한 최대치에 매우 근접한 것으로, 매우 성공적인 연결을 의미합니다.
결정적으로, 이 연구는 입력 광자가 협대역(narrowband), 즉 매우 좁고 특정한 주파수 범위를 갖는다면 방출체들이 동일하지 않더라도 높은 수준의 얽힘이 유지된다는 것을 보여줍니다. 연구팀은 광자가 각각의 방출체 공명에 맞춰지는 한, 단 한 번의 통과(single pass)만으로도 최대 얽힘 상태를 생성할 수 있다고 계산했습니다. 이 발견은 서로 다른 방출체를 얽히게 하려면 스펙트럼 선이 겹치거나 복잡한 튜닝을 통해 동일하게 만들어야 한다는 기존의 가설에 직접적으로 도전합니다. 연구진은 이 접근 방식이 완벽하게 동일한 방출체를 제작해야 하는 어려운 엔지니어링 과제를 제거함으로써, 양자 장치의 확장을 가로막았던 주요 병목 현상을 해결한다고 주장합니다. 준비된 얽힌 광자 쌍을 사용하여 연결을 매개하는 이 방법은, 다양하고 불완전한 고체 상태 부품들을 기능적인 양자 네트워크로 통합하는 실질적인 경로를 제공합니다. 결과는 제조 과정에서의 고유한 변이가 오랫동안 결함으로 여겨져 왔지만, 그 차이를 없애려 하기보다 그 차이에 맞춰 프로토콜을 설계함으로써 극복될 수 있음을 시사합니다.
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