Intro in Korean

초고속 레이저로 구현하는 양자 광학 현상

양자 컴퓨팅

Ultrafast Flopping of Qubit

양자 컴퓨팅 (quantum computing)은, 물질의 양자 함수를 이용하여, 정보를 저장하고, 처리하고, 읽어내는 일련의 연산 과정을 의미하며, 이때 임의의 양자 함수는, 0 또는 1의 고전적인 정보뿐만 아니라, 0과 1의 양자역학적 중첩 상태로 표현되는 양자 정보 (quantum information)를 저장할 수 있기 때문에, 현대 컴퓨터 공학의 상상력의 한계를 뛰어넘는 특별한 능력을 보여줄 것으로 예상된다. 이미, 통신과 보안분야에서 응용 개발 (quantum communication, quantum cryptography)이 진행되고 있으며, 양자 컴퓨터의 모델과 개념 연구가 세계 곳곳의 많은 연구자들에 의해서 시작되었다.

2012년 노벨상 위원회는, 이러한 양자 함수의 측정 및 제어와 관련한 일련의 연구 활동의 시작점으로, 두 명의 원자물리 학자인 Serge Haroche와 David Wineland를 지목하였다. 이들은 각각, 마이크로파 공진기와 이온덫을 이용하여, 공간적으로 구분된 단일 원자와 이온의 양자 함수를 측정하고, 제어하는 연구를 성공적으로 수행하였다. 하지만, Wineland가 밝혔듯이, 진정한 의미의 양자컴퓨터 개발은, 앞으로 많은 기초 연구를 축적한 후에 본격화할 수 있는 미래의 연구이다.

양자 컴퓨팅의 기본 단위는 2준위 양자계 (큐빗, qubit)와 이를 제어하기 위한 전자기파이다. 오른쪽 그림은, 2준위 원자의 양자 함수를, 지름이 1인 3차원 구 (Bloch sphere)의 표면에 나타낸 것으로, 레이저를 이용하여, 양자함수의 상태가 순차적으로 바뀌는 것을 화살표로 표시하었다. 우리 연구실의 양자컴퓨팅 연구는, 큐빗으로 자기광포획 장치 (magneto-optical trap) 안에 냉각 및 포획된 루비듐 원자를 이용하고, 이를 제어하기 위한 전자기파로, 초고속 레이저 광원을 이용한다.

냉각 원자 + 초고속 광학 = 초고속 양자 컴퓨팅

저온 루비듐 원자 실험에 사용되는 실험 장치

루비듐 원자의 기저 상태 (5S1/2)와 첫 번째 여기 상태 (5P1/2)를 큐비트 (qubit) 양자 준위로 정하고, 여기에 시간폭이 수백 펨토초 (10^-15 s) 이며 피크 출력이 10 TW/cm^2 (10^13 W/cm^2) 인 강한 레이저 펄스를 가해주면, 큐비트의 상태를 매우 빠른 시간 (펨토초)에 제어할 수 있게 되며, 이를 초고속 양자 연산이라 부를 수 있다. 이러한 초고속 양자 컴퓨팅은, 초당 1회 (1 Hz)의 반복률로 수행해도, 고전적인 전자시스템의 연산 한계인 10 GHz의 반복 연산과 비교하여, 압도적으로 빠른 계산 능력을 갖는다. 본 연구실에서는, 피코초 (10^-12 s)의 시간 주기로, 즉 1 THz 의 연산 속도를 실험적으로 구현하였다. [1,2] 이러한 빠른 연산 능력은, 큐빗의 제한된 결맞음 시간의 한계를 극복할 수 있는 장점을 갖는다. 우리 연구실은 이러한 초고속 양자 연산의 방식을 이용하여, 0 과 1을 반복하는 디지털 연산은 물론, 양자 논리 회로를 이루는 기본 단위인 양자 논리소자 (quantum logic gate)를 대표하는 Pauli-X, Y, Z gate, Hadamard gate, Phase shift gate를 각각 구현하였다.

양자 제어, 냉각 분자, ...

양자 제어 연구용 펨토초 펄스 레이저 증폭기

위의 초고속 양자 컴퓨팅은, "결맞는 양자 제어 기술"과 "저온 원자 실험," 두 가지 첨단 연구의 조합으로 구현된다. 본 연구실에서는 기존에 펨토초 펄스의 시간 및 스펙트럼 성분을 자유자재로 프로그램하는 "결맞는 양자 제어 기술" (coherent control or quantum control)을 개발하고, 이를 응용하여 알칼리 원자 (Na, Rb, Cs)에서 상태 함수간의 천이를 제어하는 연구를 수행하였다. 알칼리 원자는, 자기광포획 (magneto-optical trap, MOT, 1997년 노벨상)에 의해 공간적으로 병진운동이 거의 멈춰진 상태로 존재하게 되며, 이때의 온도는 약 1 mK이며, 따라서, 결맞는 시간 (coherence time)이 수십 나노초에 이르게 된다. 또한, MOT 내의 포획된 루비듐 원자의 공간적 분포를 좁은 영역에 제한하여 (<0.1mm) 레이저 펄스와의 상호작용이 균일한 레이저 세기에서 이루어지게 함으로써 양자 제어의 신뢰도를 높이고 있다. 향후, 저온 원자의 광결합을 통하여, 저온 분자를 생성하고, 회전 및 진동운동을 모두 냉각하는 실험을 진행중이며, 이를 이용하여 분자의 결맞은 회전-진동 자유도를 이용한 양자 컴퓨팅으로 활용할 계획이다.

Reference

1. Jongseok Lim, Han-gyeol Lee, Sangkyung Lee, Chang Yong Park, and Jaewook Ahn, "Ultrafast Ramsey interferometry to implement cold atomic qubit gates," Scientific Reports 4, 5867 (2014). pdf

2. Han-gyeol Lee, Hyosub Kim, Jongseok Lim, and Jaewook Ahn, "Quantum interference control of four-level diamond-configuration quantum system," Phys. Rev. A 88, 053427 (2013). pdf

3. Jongseok Lim, Han-gyeol Lee, and Jaewook Ahn, "Review of cold Rydberg atoms and their applications," Journal of Korean Physical Society 63 (4), 867-876 (2013). pdf

4. Sangkyung Lee, Hangyeol Lee, Jongseok Lim, Junwoo Cho, Changyong Park, and Jaewook Ahn, "Coherent control of multiphoton-ionization passage of excited-state rubidium atoms," Physical Review A 86, 045402 (2012). pdf

5. Jongseok Lim, Kanghee Lee, and Jaewook Ahn, "Ultrafast Rabi flopping in a three-level energy ladder," Optics Letters 37 (16), 3378 (2012). pdf

6. Junwoo Cho, Han-gyeol Lee, Sangkyung Lee, Jaewook Ahn, Won-Kyu Lee, Dai-Hyuk Yu, Sun Kyung Lee, and Changyong Park, "Optical repumping of triplet P-states enhances magneto-optical trapping of ytterbium atoms," Physical Review A 85, 035451 (2012). pdf

7. Jongseok Lim, Han-gyeol Lee, Sangkyung Lee, and Jaewook Ahn, "Quantum control in two-dimensional Fourier transform spectroscopy," Physical Review A 84, 013425 (2011). pdf

8. Jongseok Lim, Han-gyeol Lee, Jae-uk Kim, Sangkyung Lee, and Jaewook Ahn, "Coherent transients mimicked by two-photon coherent control of three-level system," Physical Review A 83, 053429 (2011). pdf

9. Sangkyung Lee, Jongseok Lim, Chang Yong Park, and Jaewook Ahn, "Strong-field coherent control of 2+1 photon process in atomic sodium," Optics Express 19, 2266-2277 (2011). pdf