섬유 양자 통신의 새로운 변화

Sep 26, 2023

2020년 1월 24일

위츠 대학교

남아프리카 요하네스버그의 위트워터스랜드 대학과 중국 우한의 화장 과학 기술 대학에서 수행된 새로운 연구는 광섬유 네트워크를 통한 안전한 데이터 전송에 대한 흥미로운 의미를 가지고 있습니다. 연구팀은 역설적이게도 하나의 패턴만 지원하는 기존의 광섬유 링크를 통해 뒤틀린 빛의 여러 양자 패턴이 전송될 수 있음을 입증했습니다. 이는 얽힌 양자 빛의 다차원을 활용하여 미래의 양자 네트워크를 실현하기 위한 새로운 접근 방식을 의미합니다.

Science Advances는 HUST의 Jian Wang 교수가 이끄는 팀과 Wits University 물리학과의 Andrew Forbes 교수가 이끄는 팀의 연구를 발표했습니다. "단일 모드 광섬유를 통한 다차원 얽힘 전송"이라는 제목의 논문에서 연구원들은 미래 양자 네트워크를 실현하기 위한 새로운 패러다임을 보여줍니다. 연구팀은 역설적이게도 단일 패턴만 지원할 수 있는 기존 광섬유의 통신 링크 후에 여러 패턴의 빛에 접근할 수 있음을 보여주었습니다. 팀은 빛, 편광 및 패턴의 두 가지 자유도에서 얽힘을 설계하고 편광된 광자를 섬유 아래로 전달하고 다른 광자와 함께 많은 패턴에 접근함으로써 이러한 양자 트릭을 달성했습니다.

"본질적으로 이 연구는 다차원 얽힌 상태로 레거시 광섬유 네트워크를 통해 통신하는 개념을 도입하여 빛의 패턴을 사용하는 고차원 통신의 장점과 편광 광자를 사용하는 기존 양자 통신의 이점을 결합합니다."라고 Forbes는 말합니다.

현재 통신 시스템은 매우 빠르지만 근본적으로 안전하지는 않습니다. 이를 안전하게 만들기 위해 연구자들은 보안 통신을 위한 양자 키 분배(QKD)를 사용하는 경우와 같이 양자 세계의 기발한 속성을 활용하여 인코딩에 자연 법칙을 사용합니다.

여기서 "양자"는 아인슈타인이 몹시 싫어했던 "원거리에서의 으스스한 작용", 즉 양자 얽힘을 의미합니다. 지난 수십 년 동안 다양한 양자 정보 프로토콜에 대해 양자 얽힘이 광범위하게 연구되었으며, 특히 QKD를 통해 통신을 더욱 안전하게 만들었습니다. 소위 "큐비트"(2차원 양자 상태)를 사용하면 정보 용량이 제한되지만 인코딩의 자유도로 편파를 사용하여 광섬유 링크에서 이러한 상태를 쉽게 얻을 수 있습니다. 빛의 공간적 패턴, 즉 빛의 패턴은 고차원 인코딩의 이점을 갖는 또 다른 자유도입니다. 사용할 수 있는 패턴은 많지만 안타깝게도 이를 위해서는 맞춤형 광섬유 케이블이 필요하므로 기존 네트워크에는 적합하지 않습니다. 현재 연구에서 팀은 편광 큐비트를 고차원 공간 모드와 결합하여 다차원 하이브리드 양자 상태를 생성함으로써 이러한 두 극단의 균형을 맞추는 새로운 방법을 찾았습니다.

"비결은 하나의 광자를 편광으로 비틀고 다른 광자를 패턴으로 비틀어 두 자유도로 얽힌 '나선형 빛'을 형성하는 것이었습니다."라고 Forbes는 말합니다. "편파 얽힌 광자는 하나의 패턴만 갖고 있기 때문에 장거리 단일 모드 광섬유(SMF)를 통해 전송될 수 있는 반면, 뒤틀린 광 광자는 광섬유 없이 측정할 수 있으며 자유 공간에서 다차원 뒤틀린 패턴에 접근할 수 있습니다. 이러한 비틀림은 정보 인코딩의 유망한 후보인 궤도 각 운동량(OAM)을 전달합니다."

고차원 공간 모드(예: OAM 모드)를 사용한 양자 통신은 유망하지만 특별히 설계된 다중 모드 광섬유에서만 가능하지만 모드(패턴) 결합 잡음에 의해 크게 제한됩니다. 단일 모드 광섬유에는 이러한 "패턴 결합"(얽힘을 저하)이 없지만 2차원 편광 얽힘에만 사용할 수 있습니다.