USTC·지난양자기술연구소, 자외선→텔레콤 양자주파수변환 효율 28.8% 달성

이온트랩 큐비트와 광섬유 전송의 파장 불일치 문제

이온트랩 방식의 양자 시스템은 긴 결맞음 시간과 높은 제어 충실도를 갖춰 대규모 양자 네트워크의 유력 플랫폼으로 꼽힌다. 그러나 일부 이온트랩 시스템은 자외선 및 청색 영역의 빛을 방출하는데, 광섬유는 이 파장 대역에서 감쇠가 매우 심하다는 문제가 있다. 기존에 개발된 양자주파수변환(QFC) 장치들은 낮은 변환 효율과 높은 잡음으로 인해 실질적인 얽힘 분배 거리가 수 미터 수준에 머물러 있었다.

박막 리튬 나이오베이트 도파관 칩을 활용한 변환기 설계

연구팀은 주기적 분극반전(periodically poled) 구조로 패터닝한 박막 리튬 나이오베이트 도파관 칩을 핵심 소자로 채택했다. 이 소재는 서로 다른 파장의 빛이 비선형 광학적으로 상호작용할 수 있게 해준다. 변환 원리는 에너지 보존에 기반한다. 527nm 펌프 레이저를 구동원으로 삼아 입사된 393nm 자외선 광자 하나를 1550nm 텔레콤 광자와 527nm 광자로 분리하는 방식이다. 연구팀은 수백 개의 칩 샘플을 제작한 뒤 최고 성능의 칩을 선별하고, 이를 렌즈 등 자유공간 광학 부품과 통합해 모듈을 구성했다.

성능 검증 및 수치 결과

최적화된 QFC 모듈을 ⁴⁰Ca⁺ 이온트랩 시스템과 연동해 검증을 수행했다. 모듈 전체의 광학 손실을 포함해 측정한 외부 광자변환 효율은 28.8%였으며, 배경 잡음률은 초당 35카운트 수준으로 나타났다. 연구팀은 또한 분극반전 영역의 패터닝 불완전성이 변환 효율 저하에 어떻게 기여하는지를 예측하는 수학 모델도 별도로 도출했다. 차분 주파수 생성 과정과 펌프 유발 비선형 잡음 과정 간의 차등 튜닝 거동을 이용한 잡음 억제 메커니즘도 새롭게 확인됐다.

기술적 의의와 남은 과제

이 연구는 자외선 방출 이온트랩 노드를 광섬유 인프라에 연결하는 실용적 경로를 처음으로 제시했다는 점에서 의미를 지닌다. 연구팀이 확인한 잡음 억제 원리는 다른 QFC 방식이나 고전 비선형 포토닉스 분야에도 적용 가능하다고 밝혔다. 향후 계획으로는 393nm 인터페이스의 응용 범위 확장과 함께, ¹⁷¹Yb⁺, ⁸⁸Sr⁺, ¹³⁸Ba⁺ 이온 등 다양한 이온계로 방법론을 적용하는 작업이 예정되어 있다. 다만 28.8%의 변환 효율은 장거리 양자 네트워크 실운용을 위해서는 추가 개선이 필요한 수준이며, 원거리 얽힘 분배 실증까지는 상당한 연구 과제가 남아 있다.