A solid-state quantum memory based on a continuous optoacoustic system

정보가 전 세계적으로 즉각적이고 안전하게 이동하는 미래를 구축하기 위해, 과학자들은 빛을 멈추는 방법을 찾아야 합니다. 양자 세계에서 정보는 종종 개별 광자에 의해 운반되지만, 이 입자들은 빛의 속도로 움직이며 무언가에 부딪히면 사라져 버립니다. 이 데이터를 처리하거나 먼 거리로 보내기 위해서, 연구자들은 날아오는 광자를 붙잡아 잠시 동안 정지시킨 후, 원래 모습 그대로 다시 방출할 수 있는 '메모리'가 필요합니다. 이것은 단순히 파일을 저장하는 문제가 아닙니다. 해킹이 불가능한 통신이나 초정밀 센싱과 같은 기술을 가능하게 하는 섬세하고 보이지 않는 양자 상태의 패턴을 보존하는 것에 관한 문제입니다. 과제는 양자적 특성을 파괴하지 않으면서도 이러한 찰나의 입자들을 붙잡을 수 있고, 동시에 현대 데이터의 빠른 속도를 처리할 수 있을 만큼 빠른 재료를 찾는 것이었습니다.

연구팀은 빛과 소리의 통로 역할을 하는 유리 또는 결정체 조각을 사용하여 이 문제를 해결하는 새로운 방법을 제안했습니다. 빛을 작고 고립된 상자 안에 가두려고 시도하는 대신(이는 한 번에 저장할 수 있는 정보량을 제한합니다), 그들의 접근 방식은 빛과 소리 파동이 함께 이동하는 길고 가는 도파로를 사용합니다. 이 시스템에서는 레이저 빛 펄스가 다리 역할을 하여, 이동하는 광자를 이동하는 음파인 포논(phonon)으로 변환한 뒤 다시 되돌립니다. 이 과정은 광자의 에너지와 음파의 에너지가 교환되는 브릴루앙 산란(Brillouin scattering)이라는 특정 상호작용에 의존합니다. 연구진은 이러한 상호작용을 정교하게 조절함으로써, 양자 상태를 빛에서 소리로 매핑하고, 이를 잠시 머물게 한 다음, 다시 빛으로서 원래의 정보를 회수할 수 있음을 보여주었습니다. 이 모든 과정은 이러한 섬세한 작업을 위해 통상적으로 요구되는 극저온의 절대 영도 근처 온도 없이도 가능합니다.

이 제안의 핵심은 가역적인 스위치처럼 작동하는 2단계 프로세스입니다. 먼저, 강한 레이저 빛 펄스가 도파로로 들어와 양자 정보를 담고 있는 약한 신호를 만납니다. 이 상호작용은 신호가 고체 매질 내를 따라 이동하는 음파로 변하도록 강제합니다. 이제 신호는 고체 매질 내부의 진동으로서 저장됩니다. 프로그래밍 가능한 지연 시간 후에 두 번째 레이저 펄스가 도착하여 과정을 역전시키고, 음파를 원래의 정보를 담은 빛 펄스로 다시 바꿉니다. 이 시스템은 갇힌 입자가 아닌 이동하는 파동을 사용하기 때문에 매우 넓은 범위의 주파수를 동시에 처리할 수 있습니다. 이는 메모리가 동시에 여러 다른 신호를 저장할 수 있음을 의미하며, 양자 네트워크를 확장하는 데 있어 매우 중요한 특징입니다.

연구진은 이 시스템이 실제 재료에서 얼마나 잘 작동할지 테스트하기 위해 상세한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용했습니다. 그들은 다양한 온도와 상호작류 강도를 포함한 다양한 조건 하에서 빛과 소리 파동의 거동을 모델링했습니다. 결과에 따르면, 이 시스템은 '스퀴즈드 라이트(squeezed light, 신호의 노이즈가 표준 한계 미만으로 감소된 빛)'와 같이 복잡한 양자 상태를 매우 높은 정확도로 저장하고 회수할 수 있습니다. 절대 영도에서 불과 1도 높은 1 켈빈(Kelvin)의 온도에서도, 이 메모리는 높은 충실도로 양자 정보를 유지했습니다. 시뮬레이션은 시스템이 수십 나노초 동안의 저장 시간을 위해 효과적으로 작동할 수 있음을 보여주었으며, 이는 많은 고급 응용 분야를 위한 데이터 처리에 충분한 시간입니다.

이 연구의 핵심 발견은 시스템이 정보를 저장하기 전에 음파를 가장 낮은 에너지 상태로 냉각할 필요가 없다는 점입니다. 많은 양자 시스템에서 재료 내의 잔여 열이나 진동은 섬세한 양자 정보를 파괴합니다. 그러나 이 프로토콜은 빛과 소리 사이의 빠르고 결맞는(coherent) 교환에 의서하기 때문에, 음파가 완벽하게 차갑지 않더라도 메모리는 견고하게 유지됩니다. 연구진은 빛과 소리의 상호작용이 충분히 강하기만 하면, 시스템이 배경 열 노이즈를 극복할 수 있다는 것을 발견했습니다. 이는 이 기술이 이전의 접근 방식들보다 훨씬 더 구축하고 운영하기 쉬울 수 있음을 시사하는데, 왜냐하면 가장 극단적인 냉각 장비를 요구하지 않기 때문입니다.

또한 연구는 메모리가 얽힘(entanglement, 두 입자가 거리에 상관없이 연결되어 있는 현상)을 얼마나 잘 보존하는지 탐구했습니다. 시뮬레이션에서 얽힌 쌍 중 하나는 메모리로 보내졌고, 다른 하나는 참조용으로 외부에 유지되었습니다. 첫 번째 절반이 음파로서 저장되었다가 다시 빛으로 회수된 후에도, 두 입자 사이의 연결은 온전히 유지되었습니다. 시뮬레이션 결과, 이 연결의 세기인 네거티비티(negativity)는 양자 쌍의 양자적 성질이 보존되었음을 확인할 수 있을 만큼 높게 유지되었습니다. 이는 이 시스템이 단순한 신호뿐만 아니라 가장 취약한 형태의 양자 정보까지도 다룰 수 있음을 입증합니다.

제안된 메모리는 수백 메가헤르츠(MHz)의 대역폭으로 작동하도록 설계되어, 많은 데이터를 병렬로 처리할 수 있습니다. 이는 한 번에 하나의 주파수만 처리할 수 있는 이산적이고 고립된 모드에 의존하는 시스템에 비해 상당한 개선입니다. 연속적인 매질을 사용함으로써, 연구진은 시스템이 광범한 주파수 스펙트럼에 걸쳐 정보를 동시에 저장할 수 있음을 보여주었습니다. 이러한 능력은 여러 정보 채널을 동시에 관리할 수 있는 멀티모드 양자 신호 처리의 길을 열어줍니다. 시뮬레이션은 현재의 기술로, 특정 광학적 특성을 가진 도파로를 사용한다면 실험실 환경에서 구현 가능한 피크 전력을 가진 레이저 펄스를 통해 이러한 결과를 달ien성할 수 있음을 시사했습니다.

제시된 결과는 이론적 모델과 시뮬레이션에 기반하고 있지만, 이는 확장 가능한 양자 메모리를 구축하기 위한 실질적인 경로를 제시합니다. 연구진은 실제 실험에서 사용되는 재료가 기계적 손실이 더 적다면(저온에서 흔히 발생하는 현상), 저장 시간을 훨씬 더 연장할 수 있을 것이라고 언급했습니다. 또한, 이 시스템이 심층 극저온 환경을 요구하는 대신 서브 켈빈(sub-Kelvin) 온도에서 작동할 수 있다는 점이 미래의 양자 네트워크에 통합하기에 더 실행 가능한 후보라는 점을 강조했습니다. 이 연구는 광학-음향(optoacoustic) 시스템의 특정 유형이 차세대 양자 기술을 위한 유망한 플랫폼임을 확인시켜 주며, 속도, 용량 및 신뢰성을 갖춘 빛 기반 정보 저장 및 처리 방법을 제공합니다.