파더보른 대학을 포함한 국제 연구팀이 양자 인터넷을 향한 중요한 이정표를 달성했다. 처음으로, 단일 광자의 편광 상태를 한 양자점에서 물리적으로 분리된 다른 양자점으로 성공적으로 순간이동시킨 것이다. 쉽게 말해, 한 광자의 특성을 양자 순간이동을 통해 다른 광자로 점프시킨 것인데, 이는 스타트렉에서나 나올 법한 이야기지만 사실은 물리학이 자랑하는 기술일 뿐이다.
실험은 270미터 자유공간 광링크를 사용해 시스템을 연결했으며, 결과는 저널 '네이처 커뮤니케이션즈'에 게재되었다. 파더보른의 박사 및 박사후 연구원들은 약 10년 동안 광학 측정, 데이터 분석 및 평가에 매달렸으며, 로마 사피엔차 대학의 리날도 트로타 교수 팀과 긴밀히 협력했다.
"이 실험은 반도체 양자점 기반의 양자 광원이 미래 양자 통신 네트워크의 핵심 기술이 될 수 있음을 인상적으로 보여줍니다,"라고 파더보른 대학의 '하이브리드 포토닉스 양자 소자' 연구 그룹장인 클라우스 외른스 교수는 설명했다. "두 독립적인 양자 방출기 간의 성공적인 양자 순간이동은 확장 가능한 양자 중계기, 나아가 양자 인터넷의 실용적 구현을 위한 중요한 단계입니다."
이 돌파구는 여러 유럽 연구 센터의 기여에 의존했다. 양자점은 린츠 요하네스 케플러 대학에서 제작되었고, 공진기 나노가공은 뷔르츠부르크 대학에서 수행되었으며, 순간이동 실험은 로마 사피엔차 대학에서 진행되었는데, 과학자들은 270미터 자유공간 광링크를 사용해 두 건물을 연결했다. 시스템은 GPS 지원 동기화, 초고속 단일 광자 검출기, 대기 난기류를 극복하기 위한 안정화 방법을 사용했다. 달성된 순간이동 상태 충실도는 최대 82±1%로, 고전적 한계를 10 표준편차 이상 초과했는데, 이는 과학계에서 '꽤 잘 작동했다'고 말하는 방식이다.
이 성과는 두 양자점 간의 '얽힘 교환' 가능성을 열어주며, 이는 얽힌 광자 쌍의 결정론적 소스 두 개를 사용하는 최초의 양자 중계기를 만들게 된다. 결정론적 소스는 거의 요청 시 단일 광자를 안정적으로 생성할 수 있지만, 이를 개발하는 것은 주요 과제였다. 물론 양자 역학에서 쉬운 일은 없기 때문이다.
공교롭게도, 슈투트가르트와 자르브뤼켄의 또 다른 연구팀이 거의 동시에 주파수 변환을 사용한 유사한 성과를 보고했다. 함께, 이 결과들은 유럽의 양자 연구에 중요한 이정표가 되며, 기능적 양자 인터넷의 비전을 현실에 더 가깝게 만든다. 물론 현실이 너무 얽히지 않는다면 말이다.