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2023년 7월 31일 특집

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작성자: Thamarasee Jeewandara, Phys.org

양자 대역 통합에 의존하는 양자 메모리는 광섬유 통신 인프라와 호환되는 양자 네트워크를 개발하는 데 사용되는 핵심 구성 요소입니다. 양자 엔지니어와 IT 전문가들은 통신 대역에서 통합 다중 모드 광자 양자 메모리를 형성할 수 있는 대용량 네트워크를 아직 구축하지 않았습니다.

Science Advances의 새로운 보고서에서 Xueying Zhang과 전자 과학, 물리학 및 정보 기술 연구팀은 레이저로 작성된 칩의 통신 대역에서 단일 광자의 광섬유 통합 다중 모드 저장을 설명했습니다.

섬유 피그테일 에르븀(Er3+) 도핑된 니오브산 리튬(Er3+:LiNbO3)으로 만들어진 저장 장치는 통신 대역 섬유 통합 온칩 구성 요소와 통합된 메모리 시스템을 선보였습니다. 연구 결과는 통합 포토닉스 장치를 기반으로 미래의 양자 네트워크가 탄생할 수 있는 경로를 강조합니다.

빛의 양자 상태는 물질에 가역적으로 매핑되어 광자 양자 메모리를 생성할 수 있으며, 이는 분산 양자 네트워크를 통한 장거리 양자 통신에 이상적입니다.

물리학자들은 상호 연결된 다기능 양자 아키텍처를 설계하기 위해 광 도파관 기반 광자 양자 메모리 장치를 양자 광원, 광자 회로 및 단일 광자 검출기와 같은 다른 통합 양자 장치와 통합했습니다. 이 연구에서 Zhang et al. 니오브산 리튬 기반 도파관에서 통신 대역 통합 다중 모드 저장 장치를 개발했습니다.

그들은 광섬유 통신 시스템과의 호환성을 용이하게 하기 위해 설정의 양쪽에 광학 콜리메이터를 사용하여 단일 모드 광섬유 피그테일에 직접 결합된 펨토초 레이저 미세 가공으로 레이저 기록 도파관을 설계했습니다.

연구팀은 원자 주파수 빗 프로토콜을 사용하여 온칩 양자 메모리 시스템을 개발했습니다. 4GHz 폭의 원자 주파수 빗의 통합을 통해 팀은 다중 모드 양자 저장 시스템을 실험적으로 실현할 수 있었고, 광섬유 통신 인프라와 호환되는 메모리를 갖춘 통합 양자 네트워크를 형성할 수 있는 길을 열었습니다.

Zhang et al. 펨토초 레이저 미세 가공을 사용하여 에르븀 도핑된 니오브산 리튬 결정 웨이퍼에 제작된 III형 도파관을 사용하여 저장 장치를 설계했습니다.

재료의 벌크 결정은 도펀트 이온의 농도를 미세한 비율로 유지하고 레이저로 작성된 도파관과 단일 모드 섬유 사이의 결합을 허용했습니다. 과학자들은 단일 모드 광섬유 피그테일이 있는 두 개의 광학 콜리메이터가 있는 구리 방열판에 도핑된 니오브산 리튬 결정을 접착했습니다.

그들은 섬유 통합 장치를 희석 냉장고에 넣고 전체 극저온 설정을 통해 26%의 총 광 전송 주파수를 관찰했습니다.

다중 모드 저장 실험은 원자 주파수 빗 기반 양자 메모리 및 측정 시스템을 준비하기 위해 단일 광자를 생성하는 것으로 구성되었습니다. 팀은 일련의 광 펄스에 의해 펌핑되는 니오브산 리튬 도파관 모듈에서 계단식 2차 고조파 생성 및 자발적인 파라메트릭 하향 변환 프로세스를 통해 상관된 광자 쌍을 생성했습니다.

단일 모드 저장을 위해 팀은 지속 시간이 300피코초인 단일 레이저 펄스를 사용했습니다. 과학자들은 초전도 나노와이어 단일 광자 탐지기를 통해 장치에서 광자를 탐지했습니다. Zhang et al. 시간-디지털 변환기를 사용하여 이 계측기의 감지 신호를 분석했습니다.