이터븀(Ytterbium): 장거리 양자 네트워크 혁신

양자 암호학(Quantum cryptography)은 기존 암호학이 보장하는 것보다 더 안전한 기술로 사용자 간 통신 가능케 하려는 시도. 현재 수백 마일 광섬유 사용해 기존 통신 시스템으론 불가능함이 입증된 수많은 암호 작업 완수 가능.

양자 상태에 인코딩된 신호 복사 불가능: 누구든 인코딩 데이터 읽으려 하면 상태 변경(사라짐). 하지만 이 같은 사실이 신호 증폭해 더 긴 거리로 전파하는 것도 방해. 주요 과제는 빛이 운반하는 양자 데이터 보관할 메모리 구축하는 것.

이제 스위스 제네바 대학교(University of Geneva) 연구진이 고주파에서 왜곡 없이 깨지기 쉬운 양자 데이터 저장할 수 있는 원소 발견.

양자 메모리 위한 적합 물질 탐색

전 세계 과학자들이 양자 신호 반복 위해 광자 보관·동기화해 더 긴 거리 전파 가능케 하는 양자 메모리 개발 중.

그런 양자 메모리 구축 위해 몇 초 동안 외부 교란으로부터 광자들(양자 데이터 운반) 보존 가능해 동기화 가능케 하는 적절한 물질 찾아야 함.

광자가 초당 186,282마일 이동하므로 연구진은 환경 교란에서 잘 격리되면서 고주파에서 효율 작동 가능한 물질 찾아야 했음. 단일 물질에서 찾기 힘든 두 특징.

프라세오디뮴(praseodymium)이나 유로퓸(europium) 같은 희귀 물질 기반 몇 프로토타입 이미 있지만 그다지 효율적이지 않음. 따라서 연구진은 집중적으로 연구되지 않은 원소인 이터븀(yettrbium)에 관심 돌림.

참조: Nature Materials | doi:10.1038/s41563-018-0138-x | 제네바 대학교

이터븀이 신호 왜곡 경향 있는 주변 환경으로부터 원자들 격리 가능해 양자 중계기(quantum repeaters) 완벽 후보임 발견.

팀은 자기장 방향과 진폭 변경해 '마법 포인트(magic point)' 발견. 이 정확한 지점에서 이터븀 원자들 결맞음 시간(coherence times)이 1,000배 증가하면서 고주파 작동.

영하 270.15도까지 냉각된 이터븀 결정

극저 자기 바이어스 필드로 전이 기울기 줄이거나 영장에서 유도된 클럭 전이 사용해 스핀과 광학 결맞음 시간 동시에 향상 가능함 보임. 초미세 상호작용과 이방성 제만 효과 가진 모든 전자 스핀 시스템에 적용 가능.

연구진 이제 이터븀 기반 양자 메모리 개발 중으로, 한 리피터에서 다른 리피터로 빠른 전환 돕고 1초 정도 광자 상태 유지해 동기화 가능케 함.

참고: 양자 컴퓨터에서 원자핵 최초 시뮬레이션

이 물질은 광학적으로 분해된 광학-초미세 전이, 단순 초미세 매니폴드, 긴 결맞음 시간 등 수많은 고유 특성 가져 양자 데이터 애플리케이션 완벽 후보. 또한 양자 메모리 애플리케이션, 마이크로파 영역에서 초전도 큐빗과 결합에도 사용 가능.

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