컴퓨팅
양자 통신의 미래: 단일 광자 텔레포테이션 설명
양자 텔레포테이션이란 무엇이며 어떻게 작동하는가?
While sounding like some fanciful concept from a science-fiction movie, quantum teleportation is actually a real phenomenon studied for decades.
이 현상은 두 개의 서로 다른 입자가 “쌍을 이루어/결합”될 때 발생하며, 이를 양자 얽힘이라고 합니다.
이 경우 두 입자가 연결되면, 그 사이 거리에 관계없이 정보를 장거리로 교환하게 되며, 물리적으로 운반되지 않습니다. 경우에 따라서는 정보 교환이 빛의 속도보다 빠르게 일어나는 것처럼 보이기도 하는데, 이는 이론적으로 불가능한 현상입니다.
그 작동 원리와 우리 현실의 근본적인 측면에 미치는 의미는 아직 양자 물리학자들 사이에서 활발히 논쟁 중입니다. 그러나 이것이 매우 실제적이고 측정 가능한 양자 효과이며, 완벽하게 보안된 즉시 통신을 가능하게 할 수 있다는 점은 알려져 있습니다.
양자 텔레포테이션 기술의 현재 상황
실용적인 양자 데이터 전송을 가능하게 하는 돌파구
One advance was 일반 광섬유 네트워크가 정규 인터넷 트래픽과 혼합된 경우에도 작업에 사용할 수 있다는 발견. This opens the possibility of practical quantum telecommunication without having to build a dedicated parallel network to the normal one currently used.
Another advance is the possibility to network quantum computers together. 옥스퍼드 연구진이 광섬유를 사용해 큐비트를 연결하고 광자(빛 입자)를 이용해 얽히게 했습니다. It could open the way for modular quantum computers, with each subunit connected together.
Lastly, QNodeOS, 양자 계산용 운영 체제가 이러한 양자 컴퓨터 네트워크를 운영하기 위한 소프트웨어 기반을 제공할 것입니다.
양자 텔레포테이션의 제한점 및 과제
Most quantum teleportation devices currently considered are of the “linear” type, where the photons are directly transferred from point A to Point B.
This is often problematic, as this type of photon transfer inherently adds noise to the signal, potentially making the telecommunication fail, or at least a less efficient.
Another issue is that most sources of photons will not produce a single photon pair, making it complex to determine entanglement.
특히, 얽힘 소스가 한 번에 하나 이상의 광자 쌍을 생성하는 경우가 흔하여 텔레포테이션에 사용된 두 광자가 실제로 얽혀 있는지 명확하지 않을 때가 많습니다.
비선형 광학이 양자 통신을 어떻게 혁신할 수 있는가
A team of researchers at the University of Illinois might have created a new source of photons that would radically improve the performance of communications based on quantum teleportation.
They published their results in Physical Review Letters1, under the title “Faithful Quantum Teleportation via a Nanophotonic Nonlinear Bell State Analyzer”.
The key idea is that this technique helps reduce the problem of multiple photon emission, making the technique more reliable thanks to the underlying principles of nonlinear optics.
양자 기술에서 비선형 광학 이해하기
Linear optics is the regular optic science taught in school, where the light directly interacts with a prism for example.
In non-linear optics, the reaction of the medium in which the light passes depends on the light’s wavelength, intensity, direction, and polarization.
“다중 광자 잡음은 모든 현실적인 얽힘 소스에서 발생하며, 이는 양자 네트워크에 심각한 문제를 야기합니다.
비선형 광학의 매력은 기본 물리학 덕분에 다중 광자 잡음의 영향을 완화할 수 있어, 불완전한 얽힘 소스와도 작업이 가능하게 만든다는 점입니다.
Nonlinear optical components cause photons of different frequencies to combine and create new photons at new frequencies. In this specific case, the “sum frequency generation” (SFG) was used.
출처: EKSPLA
합성 주파수 생성(SFG)을 통한 광자 병합
Thanks to the merger of photons occurring during SFG, only these specific photons’ frequencies can be used, greatly reducing the noise from multiple photons happening if using linear optics.
출처: SciTechDaily
This is not a new idea, but the problem so far was that making SFG happen was so difficult that there were never enough photons to be a practical means of transferring information.
“Researchers have known about this for a long time, but it was not fully explored due to the low probability of successful SFG.
In the past, the best that was achieved was 1 in 100 million. Our achievement is realizing a factor of 10,000 increase in conversion efficiency to 1 in 10,000 with a nanophotonic platform.”
Kejie Fang – Associate professor of electrical and computer engineering
비선형 양자 광학을 가능하게 하는 새로운 소재
This 10,000x boost in efficiency suddenly makes non-linear optics a viable option to produce the photons that will be used to transfer data through the measurement of their entanglement.
It was achieved thanks to an indium-gallium-phosphoryl material developed by the researchers.
“Our nonlinear system transmits quantum information with 94% fidelity, compared to the theoretical limit of 33% on systems using linear optical components,”
Kejie Fang – Associate professor of electrical and computer engineering
양자 텔레포테이션 및 네트워킹의 다음 단계는?
This is for now a very theoretical progress, in the sense that it completely changes how researchers will have to build quantum telecommunication systems in the future, as currently all quantum networking protocols (including quantum teleportation and entanglement swapping) use linear-optical design.
Combined with the progress made in transferring entangled photons in regular optical fiber networks, this could radically change the reliability and efficiency of this telecommunication method, bringing interconnected quantum computers much closer than previously thought possible.
Trapped-Ion 양자 컴퓨팅에 투자하기
As these quantum communication advances become increasingly viable, companies like IonQ (IONQ ) are positioning themselves to commercialize the technology.
IonQ는 트래핑 이온 기술을 사용하는 양자 컴퓨팅 회사로, 메릴랜드 대학과 듀크 대학의 선구적인 과학자들에 의해 설립되었습니다. 2021년에 뉴욕증권거래소에 상장되었습니다.
(IONQ )
IonQ 양자 컴퓨팅 플랫폼은 99.9% 충실도 결과를 생성할 수 있습니다. 현재 64개의 바륨 이온 체인을 사용하여 36개의 알고리즘 큐비트(AQ)를 생산합니다. 이 체인 구조는 다른 트래핑 이온 설계보다 훨씬 빠른 연산을 가능하게 하면서도 충실도를 유지합니다.
출처: IonQ
IonQ는 2025년 1월 Qubitekk를 인수했습니다, 이를 통해 회사 팀과 118개의 특허를 IonQ에 추가했습니다. Qubitekk의 전문 분야는 광자 인터커넥트를 이용한 양자 네트워크, 양자 클러스터 활성화, 양자 인터넷 역량 향상입니다.
양자 네트워크는 고도로 안전한 통신을 촉진하고 궁극적으로 분산 양자 컴퓨팅을 가능하게 해야 합니다. 분야가 빠르게 진전되고 있기 때문에, 이 주제에 대한 전문 지식과 IP는 IonQ의 미래에 결정적인 역할을 할 수 있습니다.
IonQ는 또한 NKT Photonics (NKT.CO)와 파트너십을 개발하여 향후 데이터 센터에 적합한 양자 컴퓨터를 만들고 있습니다.
Imec과도 협력하고 있습니다 광자 집적 회로와 칩 규모 이온 트랩 기술을 통해 회사의 큐비트 수와 시스템 규모 및 비용을 확대하려는 목표입니다.
자체 SDK(Software Development Kit)를 개발하는 대신, IonQ는 주요 SDK들을 모두 지원하고 있으며, 많은 선도 기업들과 협력해 새로운 양자 컴퓨팅 애플리케이션을 개발하고 있습니다.
출처: IonQ
Quantinuum(Honeywell의 일부)와 함께, IonQ는 고충실도, 낮은 큐비트 수 트래핑 이온 시스템에 집중함으로써 상용 양자 컴퓨터 개발에 한 걸음 더 다가가고 있습니다.
IonQ는 Google, Intel, IBM, Honeywell 등 다른 주요 기업들의 활동에 관심이 적은 투자자들에게 순수 양자 컴퓨팅 주식에 가장 가까운 선택지입니다.
초기 성공 덕분에 IonQ는 다른 양자 컴퓨팅 혁신가들과 강력한 파트너십 네트워크를 구축했으며, 최근에는 네트워크형 양자 컴퓨터에 재초점을 맞추어 기술을 지속적으로 추진하고 있습니다.
양자 얽힘 통신이 점점 더 신뢰성을 얻음에 따라, 다수의 고신뢰 트래핑 이온 양자 컴퓨터를 결합하는 것이 이 기술의 첫 상용 적용에 견고한 옵션이 될 수 있습니다.
IonQ 주식 뉴스 및 최신 개발
연구 참고:
1. Joshua Akin, Yunlei Zhao, Paul G. Kwiat, Elizabeth A. Goldschmidt, and Kejie Fang.(2025) Faithful Quantum Teleportation via a Nanophotonic Nonlinear Bell State Analyzer. Physical Review Letters134, 160802 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.160802
