양자통신기술은 언젠가는 매우 안전한 양자인터넷을 가능하게 할 수 있지만, 지금까지는 그러한 대규모 네트워크에서 연결을 만드는 것이 어려운 것으로 입증되었다. 양자정보를 순간 이동하는 능력의 돌파구는 유망한 방법이 될 수 있다.

많은 사람들이 미래의 양자통신네트워크에 열광하는 이유는 양자상태로 인코딩 된 메시지를 도청하는 것이 본질적으로 불가능하기 때문이다. 이는 입자의 양자상태를 읽으면 불가피하게 변경되기 때문이다. 즉, 누군가 통신 링크를 스누핑했는지 여부를 쉽게 감지할 수 있다.

그러나 실제로 상당한 거리에 걸쳐 양자상태를 전송하는 것은 까다롭다. 연구원들은 수백 마일의 광 케이블을 통해 광자의 양자 상태에 묶인 메시지를 전송하고 위성 양자 통신을 사용하여 훨씬 더 먼 거리에 링크를 설정하는 데 성공했다. 그러나 두 통신 모드에서 피할 수 없는 신호 손실은 진정한 인터넷에 필요한 거리까지 확장하는 것이 까다롭다는 것을 의미한다.

한 가지 해결 방법은 순간이동이라는 또 다른 양자 현상을 이용하는 것이다. 이것은 스타트렉과 같은 쇼에서 사용되는 공상 과학 개념과 매우 유사하게 작동하여 이론적으로 무제한 거리에 걸쳐 정보를 한 장소에서 다른 장소로 즉시 전송할 수 있다. 그리고 이제 네덜란드의 연구원들이 이것이 어떻게 작동할 수 있는지에 대한 최초의 실용적인 시연을 제공했다.

팀은 양자 정보를 큐비트로 저장할 수 있는 Alice, Bob, Charlie라는 3개의 양자 "노드"를 설정했다. 큐비트는 질소 공석 센터로 만든 컴퓨터의 양자 비트에 해당한다. 이것은 전자를 포획하고 양자 상태를 변경하는 데 사용할 수 있는 다이아몬드의 작은 결함이다. 그런 다음 광섬유를 사용하여 Alice를 Bob과 연결하고 Bob을 Charlie와 연결했다.

네이처(Nature)지에 실린 논문에 기술된 실험의 목표는 서로 직접 연결되지 않은 Alice와 Charlie사이의 양자 정보를 순간이동하는 것이었다. 그렇게 하려면 먼저 둘 사이에 순간이동 링크를 만들어야 했다. 이것은 양자시스템의 상태가 뗄레야 뗄 수 없이 연결되어 양자 시스템 중 하나를 측정하면 멀리 떨어져 있더라도 다른 상태를 자동으로 변경하는 얽힘의 양자 현상에 의존한다.

프로토콜은 Alice 노드의 전자를 광자와 얽히게 하는 양자 연산을 사용하여 시작한다. 이것은 그런 다음 Bob에게 광섬유를 발사하여 노드의 전자와 얽히게 하여 그와 Alice의 큐비트 사이에 얽힘을 생성한다. Bob은 또한 Charlie와 연결을 생성해야 하므로, Bob은 자신을 Alice와 연결하는 얽힌 상태를 다이아몬드의 탄소 원자로 만든 다른 큐비트로 전송한다. 이것은 기본적으로 양자 메모리 역할을 하여 얽힌 상태를 나중에 저장한다.

이것은 그의 전자를 해방시켜 이전과 같은 방식으로 Charlie와 얽히게 만든다. Bob이 다른 두 노드와 얽히면 전자와 메모리 큐비트에 저장된 얽힌 상태에 대해 얽힘 스와핑 작업을 수행하여 궁극적으로 Alice와 Charlie의 큐비트 사이에 얽힘을 생성한다.

이제 연결되지 않은 두 노드가 연결되었으므로 이 공유 얽힌 상태를 사용하여 정보를 하나에서 다른 노드로 전송해야 한다. 이를 위해 Charlie는 BSM(벨 상태 측정 Bell State Measurement)이라는 작업을 수행한다. 이 작업은 전송하려는 정보가 포함된 큐비트와 Alice의 큐비트에 얽힌 큐비트를 모두 측정하는 것이다.

이로 인해 정보 큐비트의 양자 상태가 Alice의 큐비트로 순간적으로 순간 이동되지만 프로세스는 본질적으로 암호화하므로 이를 이해하려면 추가 단계가 필요하다. Charlie는 BSM의 결과를 기존 통신 채널을 통해 Alice에게 보낸다. 이 채널은 메시지를 해독하고 양자 상태를 표시하는 데 사용할 수 있다.

이러한 실험은 약 60피트 떨어진 노드에서 수행되었지만 원칙적으로 모든 거리에서 순간이동이 가능해야 광학 채널을 통해 양자 정보를 전송하는 문제를 피할 수 있다. 그러나 이 설정이 작동하려면 광통신의 신뢰성과 메모리 큐비트의 충실도를 높이기 위해 이전 시스템에 비해 상당한 업그레이드가 필요했다.

Nature의 동반된 관점에서 연구자들은 진정한 양자 인터넷이 실현되기 전에 이러한 모든 요소가 상당한 추가 개발이 필요할 것이라고 지적한다. 그럼에도 불구하고 이 작업은 주요 이정표이며 글로벌 규모의 양자 네트워크를 만드는 데 중요한 장애물을 제거하는 데 도움이 된다.

이미지 출처: QuTech의 Marieke de Lorijn