Long-lived quantum memories with rare-earth ions doped in crystals

정보가 전선 속의 전류가 아니라 개별적인 빛의 입자에 의해 전달되는 세상을 상상해 보십시오. 광자라고 알려진 이 빛의 입자들은 깨지지 않는 보안과 전례 없는 컴퓨팅 능력을 약속하는 새로운 종류의 인터넷을 위한 이상적인 메신저입니다. 하지만 빛에는 치명적인 결함이 있습니다. 바로 멈출 수 없다는 것입니다. 일단 광자가 광섬유 케이블을 따라 발사되면, 그것은 손실되거나 흡수될 때까지 계속 이동합니다. 기다릴 수 없습니다. 이는 전 세계적인 네트워크 구축을 불가능하게 만드는데, 왜냐하면 신호는 거리에 따라 약해지며, 복제하고 증폭할 수 있는 기존의 신호와 달리 양자 신호는 그 섬세한 정보를 파괴하지 않고서는 복제할 수 없기 때문입니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 날아가는 광자를 붙잡아, 멈춰 세운 뒤, 나중에 원래 모습 그대로 다시 방출할 수 있는 방법을 찾아야 합니다. 이 장치를 양자 메모리라고 부릅니다. 이것은 빛을 위한 일시정지 버튼 역할을 하여, 네트워크가 운영을 동기화하고 그 범위를 대륙 너머로 확장할 수 있게 해줍니다.

수년 동안 연구자들은 이 일시정지 버튼 역할을 할 완벽한 재료를 찾아 헤맸습니다. 그들은 단단하면서도 다루기 쉽고, 양자 상태가 사라지지 않도록 오랫동안 유지할 수 있는 무언가가 필요했습니다. 결정체 세계에서 한 가지 유망한 후보가 등장했습니다. 바로 희토류 이온입니다. 이것들은 유로퓸이나 프라세오디뮴 같은 원소의 원자들이 결정 격자 안에 박혀 있는 것입니다. 이 원자들의 독특한 점은 그 외곽 층이 방패처럼 작용하여, 내부 전자를 결정의 소란스러운 환경으로부터 보호한다는 것입니다. 이러한 보호 덕분에 이들은 놀라울 정도로 긴 시간 동안 양자 상태를 유지할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고, 자연적인 방패가 있음에도 환경은 여전히 간섭합니다. 결정 내 원자들의 무작위 운동이나 지구 자체의 자기장에 의해 발생하는 미세한 자기장의 변동은 저장된 정보를 흐트리뜨리고 사라지게 만듭니다.

중국과학기술대학교의 연구팀은 이제 이러한 간섭을 제어하는 데 있어 큰 진전을 이루었습니다. 최근 실험들에 대한 종합적인 검토를 통해, 그들은 연구자들이 어떻게 양자 메모리의 수명을 초 단위에서 분 단위로, 그리고 어떤 경우에는 시간 단위까지 연장할 수 있었는지 설명합니다. 이 성공의 핵심은 두 가지 영리한 전략에 있습니다. 첫째, 그들은 원자들이 자기적 노이즈에 자연적으로 면역이 되는 특정 자기장 세기를 식별했습니다. 이는 마치 원자들이 자기적인 밀고 당김이 완벽하게 상쇄되는 '스윗 스팟(sweet spot)'을 찾는 것과 같습니다. 둘째, 원자들이 흔들리기 시작할 때 연구자들은 일련의 빠른 라디오 주파수 펄스를 가합니다. 이 펄스들은 원자들이 길을 잃기 전에 끊임없이 재정렬하도록 돕는 부드러운 넛지(nudge) 역할을 하며, 효과적으로 정보를 그 자리에 얼려버립니다.

이 연구의 결과는 각각 다른 난이도를 나타내는 세 가지 뚜렷한 방식으로 측정됩니다. 첫 번째 척도는 '스핀 결맞음 시간(spin coherence time)'으로, 이는 단순히 원자들이 서로 멀어지기 전까지 얼마나 오랫동안 양자 정렬을 유지할 수 있는지를 의미합니다. 유로퓸 이온이 도핑된 결정을 사용하고 자기적 스윗 스팟과 재정렬 펄스를 적용함으로써, 연구자들은 거의 6시간에 달하는 기록적인 결맞음 시간을 달성했습니다. 이는 원자들이 이전의 이 유형의 재료를 사용한 그 어떤 실험보다 훨씬 더 긴 시간 동안 동기화된 상태를 유지했음을 의미합니다.

두 번째 척도는 '빛 저장 시간'입니다. 이것은 실제 빛의 빔이 포착되어 원자 내부의 진동으로 저장되었다가 다시 빛으로 방출될 수 있는 지속 시간입니다. 프라세오디뮴 이온을 사용한 이전 실험들에서 과학자들은 빛을 약 42초 동안 저장할 수 있었습니다. 하지만 더 안정적인 유로퓸 결정을 사용하고 특정 원자 에너지 준위 패턴에 의존하는 다른 저장 방식을 도입함으로써, 연구자들은 이 시간을 52분 이상으로 연장했습니다. 그들은 빛의 펄스가 거의 한 시간 동안 유지될 수 있으며, 그 파동 패턴이 온전하게 회수될 수 있음을 입증하여 정보가 흐트러지지 않았음을 증명했습니다.

가장 어려운 과제이자 우리가 작동하는 양자 인터넷에 가장 가깝게 다가가는 단계는 바로 '양자 저장 시간'입니다. 여기에는 밝은 빛의 빔뿐만 아니라, 단 하나의 빛 입자, 즉 단일 광자를 저장하는 것이 포함됩니다. 단일 광자를 저장하는 것은 매우 어렵습니다. 왜냐하면 과정이 매우 효율적이고 조용해야 하며, 추가적인 노이즈가 발생하여 단일 광자가 소실되지 않도록 해야 하기 때문입니다. 이전의 시도들은 단일 광자를 몇 밀리초 이상 유지하는 데 어려움을 겪었습니다. 그러나 Lv 교수 등이 이끄는 연구진은 자기적 스윗 스팟, 재정렬 펄스, 그리고 저장 과정 중 추가적인 노이즈를 만들지 않는 새로운 방법을 결합하여, 단일 광자 수준의 입력을 27초 이상 저장하는 데 성공했습니다. 이 지속 시간 동안 저장된 광자는 양자적 특성을 유지했으며, 이는 그것이 단순한 고전적 신호가 아니라 진정한 양자 메모리였음을 입증합니다.

이러한 성취는 단순한 이론적 이정표가 아닙니다. 이들은 실용적인 미래를 가리키고 있습니다. 연구자들은 이 결정들이 기존 기술과 호환된다고 언급하며, 이는 작은 장치로 통합될 수 있음을 의미합니다. 이는 양자 메모리를 포함한 장치를 트럭, 드론 또는 인공위성에 실어 멀리 떨어진 도시 사이나 심지어 우주를 가로질러 양자 정보를 운반할 수 있는 '이동 가능한 양자 메모리'의 문을 열어줍니다. 양자 상태를 한 시간 동안 유지할 수 있는 능력은 차량이 수백 킬로미터를 이동하는 동안에도 정보를 안전하게 지킬 수 있음을 의미하며, 광섬유 케이블이 가로지를 수 없는 간극을 메워줄 것입니다. 빛을 포착하는 효율성을 높이고 장비를 소형화하는 등의 과제가 남아있지만, 이 연구는 오래 지속되는 고체 상태 양자 메모리가 더 이상 먼 꿈이 아닌 만질 수 있는 현실임을 확립했습니다.