양자 메모리

양자 컴퓨팅에서 **양자 메모리** 또는 **퀀텀 메모리**(Quantum memory)는 일반적인 주기억장치의 양자역학적 버전이다. 일반적인 메모리가 "1"과 "0"으로 표현되는 이진 상태로 정보를 저장하는 반면, 양자 메모리는 나중에 검색할 수 있도록 양자 상태를 저장한다. 이 상태는 큐비트로 알려진 유용한 계산 정보를 보유한다. 일상 컴퓨터의 고전적 메모리와 달리, 양자 메모리에 저장된 상태는 양자 중첩에 있을 수 있으며, 이는 고전적 정보 저장보다 양자 알고리즘에서 훨씬 더 실용적인 유연성을 제공한다.

양자 메모리는 양자정보과학에서 많은 장치를 개발하는 데 필수적이며, 여기에는 양자 컴퓨터의 다양한 프로세스를 일치시킬 수 있는 동기화 도구, 모든 상태의 정체성을 유지하는 양자 게이트, 그리고 미리 정해진 광자를 온디맨드 광자로 변환하는 메커니즘이 포함된다. 양자 메모리는 양자 컴퓨팅 및 양자 통신과 같은 여러 분야에서 사용될 수 있다. 지속적인 연구와 실험을 통해 양자 메모리는 큐비트의 저장을 실현할 수 있게 되었다.

## 배경 및 역사
양자 복사와 다중 입자의 상호작용은 지난 10년간 과학적 관심을 불러일으켰다. 양자 메모리는 빛의 양자 상태를 원자 그룹에 매핑한 다음 원래 형태로 복원하는 이러한 분야 중 하나이다. 양자 메모리는 광학 양자 컴퓨팅 및 양자 통신과 같은 정보 처리의 핵심 요소이며, 빛-원자 상호작용의 기반에 대한 새로운 방법을 제시한다. 그러나 빛의 양자 상태를 복원하는 것은 쉬운 일이 아니다. 인상적인 진전이 있었지만, 연구자들은 여전히 이를 실현하기 위해 노력하고 있다.

광자 큐비트를 저장하기 위한 양자 교환에 기반한 양자 메모리가 가능하다는 것이 입증되었다. 케셀(Kessel)과 모이세예프(Moiseev)는 1993년에 단일 광자 상태에서 양자 저장을 논의했다. 이 실험은 1998년에 분석되었고 2003년에 시연되었다. 요약하자면, 단일 광자 상태에서의 양자 저장 연구는 1979년과 1982년에 제안된 고전적 광학 데이터 스토리지 기술의 산물로 볼 수 있으며, 이는 1970년대 중반의 고밀도 데이터 저장에서 영감을 받은 아이디어이다. 광학 데이터 저장은 흡수체를 사용하여 다른 주파수의 빛을 흡수하고, 이를 빔 공간 지점으로 보낸 다음 저장하는 방식으로 이루어질 수 있다.

## 유형
### 원자 기체
일반적인 고전적 광학 신호는 빛의 진폭을 변경하여 전송된다. 이 경우 종이 한 장이나 컴퓨터 하드 디스크를 사용하여 램프에 정보를 저장할 수 있다. 그러나 양자 정보 시나리오에서는 빛의 진폭과 위상에 따라 정보가 인코딩될 수 있다. 일부 신호의 경우 신호를 방해하지 않고 빛의 진폭과 위상을 모두 측정할 수는 없다. 양자 정보를 저장하려면 빛 자체를 측정하지 않고 저장해야 한다. 원자 기체 양자 메모리는 빛의 상태를 원자 구름에 기록하는 것이다. 빛의 정보가 원자에 의해 저장되면, 빛의 상대적인 진폭과 위상이 원자에 매핑되어 필요에 따라 검색할 수 있다.

### 고체
고전적 컴퓨팅에서 메모리는 수명이 긴 메모리 하드웨어에 복제하여 나중에 추가 처리를 위해 검색할 수 있는 사소한 자원이다. 양자 컴퓨팅에서는 복제 불가능성 정리에 따라 어떤 양자 상태도 완전히 재현할 수 없기 때문에 이는 금지된다. 따라서 양자 오류 정정이 없을 경우 큐비트 저장은 정보를 보유하는 물리적 큐비트의 내부 일관성 시간에 의해 제한된다. 주어진 물리적 큐비트 저장 한계를 넘어서는 "양자 메모리"는 환경 노이즈 및 기타 요인에 쉽게 영향을 받지 않는 "저장 큐비트"로의 양자 정보 전송이 될 것이다. 정보는 나중에 빠른 작업 또는 읽기를 허용하도록 선호되는 "프로세스 큐비트"로 다시 전송될 것이다.

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## 발견
광학 양자 메모리는 일반적으로 단일 광자 양자 상태를 감지하고 저장하는 데 사용된다. 그러나 이러한 종류의 효율적인 메모리를 생산하는 것은 현재 과학에 여전히 큰 도전이다. 단일 광자는 에너지가 너무 낮아서 복잡한 빛 배경에서 손실될 수 있다. 이러한 문제로 인해 양자 저장 속도는 오랫동안 50% 미만에 머물렀다. 홍콩 과학기술대학교 물리학과 두성왕(Du Shengwang) 교수와 HKUST의 윌리엄 몽 나노과학기술연구소가 이끄는 팀은 광학 양자 메모리의 효율성을 85% 이상으로 높이는 방법을 발견했다. 이 발견은 또한 양자 컴퓨터의 대중화를 현실에 더 가깝게 만든다. 동시에 양자 메모리는 양자 네트워크에서 리피터로도 사용될 수 있어 양자 인터넷의 기반을 마련한다.

## 연구 및 응용
양자 메모리는 양자 네트워크, 양자 리피터, 선형 광학 양자 계산 또는 장거리 양자 통신과 같은 양자 정보 처리 응용 프로그램의 중요한 구성 요소이다.

광학 데이터 저장은 수년 동안 중요한 연구 주제였다. 가장 흥미로운 기능은 양자 물리학의 법칙을 사용하여 도난으로부터 데이터를 보호하는 것이며, 양자 컴퓨팅 및 양자 암호를 통해 무조건 보장되는 통신 보안을 제공한다.

이들은 입자를 중첩 상태에 있게 하여 동시에 여러 조합을 나타낼 수 있음을 의미한다. 이러한 입자를 양자 비트, 즉 큐비트라고 부른다. 사이버 보안 관점에서 큐비트의 마법은 해커가 전송 중인 큐비트를 관찰하려고 하면 취약한 양자 상태가 깨진다는 것이다. 이는 해커가 흔적을 남기지 않고 네트워크 데이터를 조작하는 것이 불가능하다는 것을 의미한다. 이제 많은 기업들이 이 기능을 활용하여 고도로 민감한 데이터를 전송하는 네트워크를 구축하고 있다. 이론적으로 이러한 네트워크는 안전하다.

### 마이크로파 저장 및 빛 학습 마이크로파 변환
다이아몬드의 질소-공동 센터는 지난 10년 동안 광학 나노포토닉스 장치에서 탁월한 성능을 보여 많은 연구를 이끌어냈다. 최근 실험에서는 다중 경로 다이아몬드 칩에 전자기 유도 투명도를 구현하여 완전한 광전 자기장 감지를 달성했다. 이 밀접하게 관련된 실험들에도 불구하고, 광학 저장은 아직 실제로 구현되지 않았다. 기존의 질소-공동 센터 (음전하 및 중성 질소-공동 센터) 에너지 준위 구조는 다이아몬드 질소-공동 센터의 광학 저장을 가능하게 한다.

질소-공동 스핀 앙상블과 초전도 큐비트 간의 결합은 초전도 큐비트의 마이크로파 저장을 위한 가능성을 제공한다. 광학 저장은 전자 스핀 상태와 초전도 양자 비트의 결합을 결합하여 다이아몬드 내 질소-공동 센터가 코히어런트 빛과 마이크로파의 상호 변환을 위한 하이브리드 양자 시스템에서 역할을 할 수 있도록 한다.

### 알칼리 증기에 궤도 각운동량 저장
높은 공명 광학 깊이는 효율적인 양자-광학 메모리를 구축하는 전제 조건이다. 알칼리 금속 증기 동위원소는 50-100℃의 따뜻한 온도에서 비교적 좁은 스펙트럼 선과 높은 밀도를 가지기 때문에 많은 수의 근적외선 파장 광학적 깊이를 가진다. 알칼리 증기는 높은 광학적 깊이, 긴 일관성 시간 및 쉬운 근적외선 광학 전이 때문에 초기 연구부터 우리가 논의하는 최신 결과에 이르기까지 가장 중요한 메모리 개발 중 일부에 사용되었다.

높은 정보 전송 능력 때문에 양자 정보 분야에서의 응용에 대한 관심이 점점 커지고 있다. 구조화된 빛은 궤도 각운동량을 전달할 수 있으며, 이는 저장된 구조화된 광자를 충실하게 재현하기 위해 메모리에 저장되어야 한다. 원자 증기 양자 메모리는 이러한 빔을 저장하는 데 이상적이다. 왜냐하면 광자의 궤도 각운동량은 분산된 통합 여기의 위상과 진폭으로 매핑될 수 있기 때문이다. 확산은 이 기술의 주요 한계인데, 뜨거운 원자의 움직임이 저장 여기의 공간적 일관성을 파괴하기 때문이다. 초기 성공에는 따뜻하고 초저온 원자 전체에 공간적 구조의 약한 코히어런트 펄스를 저장하는 것이 포함되었다. 한 실험에서, 동일한 과학자 그룹은 세슘 자기광학 트랩에서 단일 광자 수준에서 벡터 빔을 저장하고 검색할 수 있었다. 메모리는 벡터 빔의 회전 불변성을 보존하여, 잘못 조정된 면역 양자 통신을 위해 인코딩된 큐비트와 함께 사용하는 것을 가능하게 한다.

실제 단일 광자의 첫 번째 저장 구조는 루비듐 자기광학 트랩에서 전자기 유도 투명도를 통해 달성되었다. 한 자기광학 트랩에서 자발 네 파동 혼합에 의해 생성된 예측된 단일 광자는 나선형 위상판을 사용하여 궤도 각운동량 단위를 통해 준비되고, 두 번째 자기광학 트랩에 저장된 후 복구되었다. 이중 궤도 설정은 또한 다중 모드 메모리에서 일관성을 입증하는데, 여기서 사전 발표된 단일 광자가 100나노초 동안 궤도 각운동량 중첩 상태를 저장한다.

섬네일|광학 양자

### GEM
GEM(Gradient Echo Memory)은 광학 정보를 저장하는 프로토콜이며 원자 가스 및 고체 메모리 모두에 적용될 수 있다. 이 아이디어는 ANU의 연구원들에 의해 처음 시연되었다. 뜨거운 원자 증기에 기반한 3단계 시스템에서의 실험은 최대 87%의 효율로 코히어런트 스토리지를 시연했다.

### 전자기 유도 투명도

전자기 유도 투명도(EIT)는 1990년 스탠퍼드 대학교의 해리스(Harris)와 그의 동료들에 의해 처음 소개되었다. 이 연구는 레이저 빔이 여기 경로 간에 양자 간섭을 유발할 때, 원자 매질의 광학 응답이 원자 전이의 공명 주파수에서의 흡수 및 굴절을 제거하도록 수정된다는 것을 보여주었다. EIT를 기반으로 느린 빛, 광학 저장 및 양자 메모리가 달성될 수 있다. 다른 접근 방식과 달리 EIT는 긴 저장 시간을 가지며 구현하기에 비교적 쉽고 저렴한 솔루션이다. 예를 들어, 전자기 유도 투명도는 라만 양자 메모리에 일반적으로 필요한 매우 높은 전력 제어 빔을 필요로 하지 않으며, 액체 헬륨 온도를 사용할 필요도 없다. 또한, 광자 에코는 불균일하게 넓어진 매질에서 스핀 복구로 인한 판독 펄스의 시간 지연으로 인해 스핀 결맞음이 유지되는 동안 EIT를 읽을 수 있다. 작동 파장, 대역폭 및 모드 용량에 일부 제한이 있지만, EIT 기반 양자 메모리를 양자 통신 시스템 개발에 유용한 도구로 만들기 위한 기술이 개발되었다. 2018년, 냉각 원자에서 고효율 EIT 기반 광학 메모리는 코히어런트 빔을 사용한 고전적 영역에서 92%의 저장 및 검색 효율을 시연했으며 약한 코히어런트 상태로 인코딩된 편광 큐비트에 대해 어떤 고전적 기준도 뛰어넘는 70%의 저장 및 검색 효율을 시연했다. 이러한 시연에 이어, 단일 광자 편광 큐비트는 EIT를 통해 85Rb 냉각 원자 앙상블에 저장되었고 85%의 효율로 검색되었으며 두 세슘 기반 양자 메모리 간의 얽힘도 거의 90%의 전체 전송 효율로 달성되었다.

### 희토류로 도핑된 결정
빛과 물질 사이의 양자 정보 상호 변환은 양자 정보과학의 핵심이다. 단일 광자와 희토류 이온으로 도핑된 냉각된 결정 간의 상호작용이 조사되었다. 희토류로 도핑된 결정은 독특한 응용 시스템을 제공하기 때문에 양자 저장 분야에서 광범위한 응용 가능성을 가지고 있다. 중국과학원 양자 정보 연구소의 리청펑(Li Chengfeng)은 고체 양자 메모리를 개발하고 시간과 주파수를 사용하여 광자 계산 기능을 시연했다. 이 연구를 기반으로, 물질 시스템의 양자 상태 저장 및 일관성을 활용하여 양자 리피터 기반의 대규모 양자 네트워크를 구축할 수 있다. 연구자들은 희토류 이온 도핑 결정에서 처음으로 이를 보여주었다. 3차원 공간과 2차원 시간, 2차원 스펙트럼을 결합하여 일반적인 메모리와는 다른 종류의 메모리를 만들었다. 이는 다중 모드 용량을 가지며 고정밀 양자 변환기로도 사용될 수 있다. 실험 결과에 따르면, 이 모든 작업에서 광자가 운반하는 3차원 양자 상태의 정확도는 약 89%로 유지될 수 있다.

### 고체 내 라만 산란
다이아몬드는 40 THz의 광학 포논 모드에서 매우 높은 라만 이득을 가지며 가시광선 및 근적외선 대역에서 넓은 과도 창을 가지므로 매우 넓은 대역의 광학 메모리에 적합하다. 라만 저장 상호 작용 후, 광학 포논은 채널을 통해 광자 쌍으로 붕괴하며, 붕괴 수명은 3.5 ps이므로 다이아몬드 메모리는 통신 프로토콜에 적합하지 않다.

그럼에도 불구하고 다이아몬드 메모리는 양자 수준에서 빛과 물질 간의 상호작용에 대한 몇 가지 드러나는 연구를 가능하게 했다. 다이아몬드 내 광학 포논은 방출 양자 메모리, 거시적 얽힘, 사전 예측된 단일 광자 저장, 단일 광자 주파수 조작을 시연하는 데 사용될 수 있다.

## 미래 개발
양자 메모리의 미래 연구 방향은 양자 통신과 암호학이다. 그러나 전 세계 양자 네트워크를 구축하는 데에는 많은 과제가 있다. 가장 중요한 과제 중 하나는 빛이 운반하는 양자 정보를 저장할 수 있는 메모리를 만드는 것이다. 스위스 제네바 대학교의 연구원들이 프랑스의 CNRS와 협력하여 이터븀이라는 원소가 고주파에서도 양자 정보를 저장하고 보호할 수 있는 새로운 물질을 발견했다. 이는 이터븀을 미래 양자 네트워크에 이상적인 후보로 만든다. 신호는 복제될 수 없으므로, 과학자들은 양자 메모리가 광자를 포착하여 동기화함으로써 점점 더 멀리 이동할 수 있도록 하는 방법을 연구하고 있다. 이를 위해서는 양자 메모리를 만드는 데 적합한 물질을 찾는 것이 중요해진다. 이터븀은 좋은 절연체이며 고주파에서 작동하여 광자를 저장하고 빠르게 복원할 수 있다.

## 같이 보기
* 큐비트
* 양자 (에너지)
* 양자 컴퓨팅
* 양자정보과학

## 각주

## 외부 링크
* 2007년 "청사진"

분류:양자정보과학