Intro in Korean

초고속 레이저로 구현하는 양자 광학 현상

양자 전산

Ultrafast Flopping of Qubit

양자 전산 (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 가질 것으로 예측되고 있다. 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, 아주 멀고, 어둡고, 어려운 연구의 길을 많은 사람들이 간 후에에 가능해질, 미래의 일일 뿐이다.

양자 전산의 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 양자전산 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 전산

저온 루비듐 원자 실험에 사용되는 챔버와 셋업

루비듐 원자의 기저 상태 (5S1/2)와 첫 번째 여기 상태 (5P1/2)를 각각 |0>과 |1>의 양자 상태로 정하고, 이 두 에너지 상태로 표현되는 큐비트 (qubit)는 |0> 상태와 |1> 상태가 중첩된 양자 상태로 존재하게 된다. 여기에 펄스의 시간폭이 수백 펨토초 (10^-15 s) 이내이며 피크 출력이 10 TW/cm^2 (10^13 W/cm^2) 인 강한 레이저 펄스를 가해줌으로써 두 상태함수의 중첩 상태를 매우 빠른 시간 (펨토초) 에 제어, 즉 양자 연산을 수행하는 것이다. 양자 컴퓨터는 특정 계산을 고전적 연산과는 차원이 다른 속도로 수행하는 것이 가능하다. 초당 1회 (1 Hz)로 수행해도 10 GHz(또는 그 이상) 로 이뤄지는 고전 연산보다 압도적으로 빠르게 수행하리라 기대되는 양자 연산을, 우리 연구실에서는 펨토초 펄스를 사용하여 피코초 (10^-12 s)마다 수행, 연산 속도를 1 THz 이상으로 할 수 있음을 보였다. 양자 전산에 있어 빠른 연산 속도는 연산 속도 그 자체뿐만 아니라 큐빗의 결맞음이 유지되는 시간 내에 많은 수의 연산이 가능하다는 점에서도 큰 장점이 된다. 우리 연구실은 이러한 초고속 양자 연산의 방식을 이용하여 0 과 1을 반복하는 디지털 연산은 물론, 양자 논리 회로를 이루는 기본 단위인 양자 게이트 (Quantum gate)를 대표하는 Pauli-X, Y, Z gate, Hadamard gate, Phase shift gate를 구현하는데 성공하였다.

양자 제어, 냉각 분자, ...

저온 루비듐 원자 실험에 사용되는 펨토초 펄스 레이저

해당 연구는 "결맞는 양자 제어 기술"과 "저온 원자 실험" 두 가지 첨단 연구 능력의 조합을 통해 가능하게 된다. 우리 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. 또한, 자기광포획(Magneto-Optical Trap, MOT)은 1997년에 노벨상이 수여된 연구로 원자를 레이저와 자기장을 이용하여 냉각하고 포획하는 기술이다. 포획된 루비듐 원자는 병진운동이 거의 멈춰진 상태로 온도로는 약 1 mK이 되며 따라서 도플러 확장 (Doppler broadening)이 매우 작고 결맞는 시간 (coherence time)이 수십 나노초에 이르게 된다. 우리는 저온의 루비듐 원자를 사용함과 동시에 포획된 루비듐 원자의 공간적 분포를 좁은 영역에 제한하여 (<100 um) 레이저 펄스와의 상호작용이 세기가 일정한 부분에서만 이루어지게 함으로써 양자 제어의 신뢰도를 높다.

우리 연구실은 더 나아가, 병진, 회전, 진동운동이 모두 멈춰진 극저온 분자의 생성 및 포획, 그리고 이에 "결맞는 양자 제어 기술"을 사용하여 한 단계 발전된 양자 컴퓨터의 구현과 새로운 물리 현상의 규명을 연구할 계획이다.

Reference

1. Jongseok Lim, Kanghee Lee, and Jaewook Ahn, "Ultrafast Rabi flopping in a three-level energy ladder," Optics Letters 37 (16), 3378 (2012.08). pdf

2. 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 (2012.03). pdf

3. Jongseok Lim, Han-gyeol Lee, Sangkyung Lee, and Jaewook Ahn, "Quantum control in two-dimensional Fourier transform spectroscopy," Physical Review A 84, 013425 (2011.07). pdf

4. 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 (2011.05). pdf

5. 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 (2011.01). pdf