[논문 리뷰] A long-distance quantum-capable internet testbed

Dounan Du, Leonardo Castillo-Veneros외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 29.

Quantum optics and atomic interactions인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 스토니 브룩 대학교와 브루크헤이븐 국립연구소 사이 158 km 거리에 걸쳐 구축된 장거리 양자 통신 가능 인터넷 실험 기반을 제시한다. 이 기반은 소프트웨어 정의 네트워킹과 시간 민감성 네트워킹을 양자 통신과 융합하며, 실온에서 작동하는 양자 메모리에 저장된 통신 주파수로 변환된 광자를 사용한다. 주요 결과는 독립된 양자 메모리에서 유래한 광자 간에 고해상도 홍-오우-마델 간섭(visibility > 0.5)을 성공적으로 구현하여 도시 간 거리에서 기본적인 양자 네트워크 서비스의 타당성을 입증했다.

ABSTRACT

Building a Quantum Internet requires the development of innovative quantum-enabling networking architectures that integrate advanced communication systems with long-distance quantum communication hardware. Here, we present the implementation of a quantum-enabled internet prototype using a novel physics-centric stack-based quantum network paradigm to govern the dynamics of multiple light-matter Hamiltonians across distant nodes. We demonstrate this concept using a deployed large-scale intercity quantum network connecting laboratories at Stony Brook University and the Brookhaven National Laboratory. This network facilitates a fundamental long-distance quantum network service -that of high-visibility Hong-Ou-Mandel interference of telecom quantum states generated in two independent, telecom-compatible quantum light-matter interfaces separated by a distance of 158 km.

연구 동기 및 목표

• 고전적 소프트웨어 정의 네트워킹과 양자 통신을 융합한 확장 가능한 장거리 양자 네트워크 실험 기반 개발
• 도시 규모 거리에서 분리된 양자 메모리 간에 고정밀도 양자 상태 전송 및 간섭 구현
• 고전적 제어, 양자 기반, 양자 계층을 융합한 하이브리드 양자 인터넷 스택의 타당성 검증
• 상업적 데드 파이버를 통해 158 km 거리에 걸쳐 통신 주파수 광자를 유지하면서 강력한 양자 간섭(홍-오우-마델 간섭) 구현
• 사용자 정의 양자 네트워크 작업을 위한 제어 프rotocol 세트 및 API 수립

제안 방법

• 두 기관 간 상업적 데드 파이버를 사용해 158 km 양자 네트워크를 구축하고, 양자 신호 및 제어 신호를 위한 전용 광경로 확보
• 세슘 도핑된 희토류 화합물 결정을 이용한 실온에서 작동하는 양자 메모리 구현 및 루비디움 공명 근적외선 광자를 통신 주파수 대역으로 주파수 변환
• 장거리 전송 중 양자 코herence 유지에 기여하기 위해 시간 및 편광 안정화 시스템 통합
• 세 단계로 구성된 하이브리드 네트워크 스택 설계: 고전적 제어, 양자 기반(시간, 위상, 편광), 양자(메모리, 검출, 광신호 전송)
• 프로그래밍 가능한 양자 네트워크 서비스 실행을 가능하게 하기 위해 양자 네트워크 제어 프rotocol 세트(QNCPS) 및 API 개발
• 동기화된 가우시안 펄스 트레인 사용 및 펄스 간격과 코herence 시간을 고려한 수정된 간섭 모델을 통한 HOM 간섭 분석

실험 결과

연구 질문

• RQ1 158 km 파이버를 통해 분리된 독립된 양자 메모리에서 유래한 광자 간에 고해상도 홍-오우-마델 간섭을 달성할 수 있는가?
• RQ2 장거리 양자 통신과 효과적으로 융합할 수 있는 소프트웨어 정의 및 시간 민감성 네트워킹 원칙은 어떻게 적용되어야 하며, 이를 통해 양자 네트워크 서비스의 동적 제어가 가능해지는가?
• RQ3 통신 주파수로 변환된 광자를 사용할 경우, 도시 간 거리에서 양자 코herence와 간섭 해상도가 얼마나 유지되는가?
• RQ4 펄스 간격과 소스 코herence 시간은 장거리 양자 네트워크에서 HOM 간섭 깊이의 해상도와 형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 하이브리드 네트워크 스택 추상화는 도시 규모의 양자 인터넷 실험 기반에서 신뢰성 있고 사용자 프로그래밍 가능한 양자 네트워크 작업을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 158 km 떨어진 두 개의 독립된 양자 메모리에서 유래한 광자 간에 고해상도 홍-오우-마델 간섭(visibility > 0.5)이 성공적으로 구현됨
• 소스 스피드 및 펄스 간격의 다양한 조건에서도 HOM 간섭 깊이가 유지되어 장거리에서 강력한 양자 간섭이 가능함을 확인함
• 158 km 링크 전반에서 시간 및 편광 동기화가 안정적으로 유지되어 독립적으로 생성된 광자 간에 코herent 간섭이 가능함
• 양자 주파수 변환 기술을 활용함으로써 기존 통신 인프라와의 호환성이 확보되어 장거리 전송이 가능해짐
• QNCPS 및 관련 API를 통해 주파수 변환 및 노드 간 광자 간섭을 포함한 신뢰성 있는 양자 네트워크 서비스 실행이 가능해짐
• 펄스 트레인의 이론적 모델링 결과, 펄스 간격이 넓을 경우 중심 HOM 피크만이 양자 간섭을 보이며, 비피크 영역의 쌍은 고전적 강도 상관관계에서 기인함을 확인함