PHYS.ORG : 광자 간의 효율적인 상호 작용을 가능하게 하는 새로운 방법

빛의 양자를 나타내는 입자인 광자는 새로운 양자 기술 개발에 큰 잠재력을 보여주었습니다. 보다 구체적으로, 물리학자들은 광자를 사용하여 장거리로 전송될 수 있는 광자 큐비트(정보의 양자 단위) 생성 가능성을 탐구해 왔습니다.

일부 유망한 결과에도 불구하고 광자 큐비트를 대규모로 구현하려면 몇 가지 장애물을 극복해야 합니다. 예를 들어, 광자는 전파 손실(즉, 한 지점에서 다른 지점으로 이동할 때 에너지, 방사선 또는 신호의 손실)에 취약하고 상호 작용하지 않는 것으로 알려져 있습니다.

덴마크 코펜하겐 대학, 스페인 Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC, 독일 Ruhr-Universität Bochum의 연구원들은 최근 이러한 문제 중 하나, 즉 광자-광자 상호 작용의 결핍을 극복하는 데 도움이 될 수 있는 전략을 고안했습니다. Nature Physics에 발표된 논문에 제시된 그들의 방법은 결국 더 정교한 양자 장치의 개발을 도울 수 있습니다.

이 연구를 수행한 연구원 중 한 명인 Peter Lodahl은 "우리는 15년 넘게 단일 양자 이미터(양자 점)와 단일 광자를 결정론적으로 연결하는 작업을 진행해 왔으며 나노 광자 도파관을 기반으로 하는 매우 강력한 방법을 개발했습니다."라고 말했습니다. "우리는 일반적으로 이러한 장치를 결정론적 단일 광자 소스 및 다중 광자 얽힘 소스에 적용했었죠. 하지만 또 다른 가능한 응용은 광자에 대한 비선형 작용을 유도하는 것입니다.“

Lodahl과 그의 동료들은 2015년에 개별 광자를 사용한 비선형 연산의 개념 증명 시연을 처음으로 실현했습니다. 그러나 이 효과를 추가로 연구했을 때, 이 복잡한 단일 광자 및 비선형 상호작용의 기저에 있는 물리를 완전히 이해하는 데 어려움을 겪었습니다.

"이전 연구를 통해 우리는 광 펄스의 비선형 상호 작용을 지배하는 물리학이 매우 풍부하고 광자 양자 게이트와 광자 분류기를 구성하는데 몇 가지 새로운 종류의 기회를 제공한다는 것을 알았습니다."라고 Lodahl이 말했습니다. "우리는 결정론적으로 연결된 양자 이미터와의 결합 때문에 비선형 상호 작용을 받는 비선형 양자 펄스에 대한 첫 번째 실험 연구를 수행했습니다.“

새로운 실험에서 연구원들은 단일 광자 파동 패킷 간의 비선형 양자 상호 작용을 가능하게 하도록 나노 광자 도파관과 단일 양자 이미터의 효율적이고 일관된 결합을 사용했습니다. 이를 위해 그들은 광결정 도파관에 내장된 2레벨 원자처럼 행동하는 나노미터 크기의 입자인 단일 양자점을 사용했습니다.

"이러한 시스템에서 결합은 결정적이어서 도파관으로 발사된 하나의 광자라도 양자점과 상호 작용합니다."라고 Lodahl은 설명했습니다. "두 개 이상의 광자를 포함하는 펄스를 보내면 한 번에 하나의 광자만이 양자점과 상호 작용할 수 있기 때문에 양자 상관관계가 유도됩니다. 양자 펄스의 지속 시간을 제어함으로써 이러한 상관관계와 광자 간의 상호 작용을 재단할 수 있습니다.“

그들의 실험 방법을 사용하여 Lodahl과 그의 동료들은 기본적으로 양자 이미터에 의해 매개되는 두 번째 광자를 사용해 광자를 제어할 수 있었습니다. 즉, 그들은 성공적으로 비선형 광자-광자 상호 작용을 구현해냈습니다.

Lodahl은 "우리는 양자점과의 결합을 매개로 광자가 서로 효율적으로 상호 작용하도록 하는 방법을 개발했습니다"라고 말했습니다. "우리는 이것이 광자-광자 양자 게이트(포토닉 양자 컴퓨팅에서 만들기 어려운 게이트)나 양자 리피터에 필수적인 결정론적 광자 분류기 장치를 만드는 새로운 길을 열 수 있다고 생각합니다.“

이 연구팀이 도입한 새로운 전략은 양자 물리학 연구와 양자 기술 개발 모두에 중요한 의미가 있을 수 있습니다. 예를 들어, 그들의 방법은 양자 광학 장치의 개발을 위한 새로운 가능성을 열 수 있는 동시에 물리학자들이 재단된 복잡한 광자 양자 상태를 실험할 수 있게 해줍니다.

연구에 참여한 또 다른 연구원인 Hanna Le Jeannic은 "우리는 현재 작업을 확장하는 다양한 활동을 가지고 있습니다."라고 말했습니다. "기본적인 수준에서 우리는 빛이 단일 양자점을 통과하면서 양자 상태가 어떻게 영향을 받는지 더 깊은 이해를 찾고 있습니다. 그러나 우리는 이미 이 양자 상호 작용의 응용을 예감하고 있기도 합니다.“

현재 Lodahl, Le Jeannic 및 동료들은 최근 연구에서 구현된 비선형 광자-광자 상호작용을 이용하여 분자의 진동 역학을 시뮬레이션하려고 시도하고 있습니다. 

이것은 복잡한 분자의 진동 역학을 첨단 광학 회로에서 광자의 전파에 매핑하여 달성할 수 있습니다.

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상세내용 확인 링크[출처]  

- https://phys.org/news/2022-10-method-enable-efficient-interactions-photons.html

- Hanna Le Jeannic et al, Dynamical photon–photon interaction mediated by a quantum emitter, Nature Physics (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01720-x

- Ravitej Uppu et al, Quantum-dot-based deterministic photon–emitter interfaces for scalable photonic quantum technology, Nature Nanotechnology (2021). DOI: 10.1038/s41565-021-00965-6

- A. Javadi et al, Single-photon non-linear optics with a quantum dot in a waveguide, Nature Communications (2015). DOI: 10.1038/ncomms9655