초록 ▼

연구의 목적 및 내용
본 연구는 범용 광양자컴퓨팅의 핵심 하드웨어를 이루는 광양자로직과 양자메모리, 그리고 양자전송기술에 대한 연구를 수행한다. 광양자컴퓨팅은 선형/비선형 광학에 기초한 기존의 광컴퓨팅 방식과 다른 양자광학에 기초하여 양자스위칭과 양자전송을 기본원리로한다. 양자메모리는 양자전송과 함께 느린빛에 기초한 멈춤빛과 양자파장변환을 통하여 구현될 것이며, 양자컴퓨터와의 호환성을 가지게 된다. 총 연구 단계는 다음과 같다. 1단계 연구 (가설증명단계): 1. 광양자CPU와 양자메모리 구현을 위한 기초연구로써 희토류를 도핑

연구의 목적 및 내용
본 연구는 범용 광양자컴퓨팅의 핵심 하드웨어를 이루는 광양자로직과 양자메모리, 그리고 양자전송기술에 대한 연구를 수행한다. 광양자컴퓨팅은 선형/비선형 광학에 기초한 기존의 광컴퓨팅 방식과 다른 양자광학에 기초하여 양자스위칭과 양자전송을 기본원리로한다. 양자메모리는 양자전송과 함께 느린빛에 기초한 멈춤빛과 양자파장변환을 통하여 구현될 것이며, 양자컴퓨터와의 호환성을 가지게 된다. 총 연구 단계는 다음과 같다. 1단계 연구 (가설증명단계): 1. 광양자CPU와 양자메모리 구현을 위한 기초연구로써 희토류를 도핑한 크리스탈을 매질로 하여 광양자로직을 증명하고, 양자컴퓨터와 호환성을 위해 2. 양자메모리와 3. 양자전송을 증명한다. 또한, 2단계 초고속 광논리, 양자메모리, 양자전송 선행연구로써 반도체화합물을 매질로 하여 느린빛을 증명한다. 2단계 연구 (한계 극복단계): 1. 반도체화합물을 매질로, 1단계에서 증명한 광논리에 관한 연구를 확장한다. 반도체화합물은 초고속 물질이기 때문에 1단계의 선행연구와는 근본적으로 다른 연구가 될것이다. 이와 동시에 1단계에서 제안한 양자메모리 프로토콜을 실험적으로 증명하고, 양자전송과 관련 양자광학연구를 수행한다. 최종적으로 광양자논리가 100GHz 이상의 속도대역에서 가능함을 증명하여 기존 전자칩의 속도한계를 극복하고 나노크기로 집적가능한 광논리 소자를 연구한다. 3단계 연구 (광양자컴퓨팅 증명단계): 1. 디지털 광컴퓨터와 2.아날로그 양자컴퓨터와 호환가능한 유니버설 광양자컴퓨팅을 증명하는 단계로 100Gbps이상의 양자메모리와 양자전송을 통한 최소 100GHz 속도대역의 광양자CPU를 증명한다.

연구결과
본 9년 연구결과로써 첫째, 기존 물리학이 허용하는 최대 스위칭속도 한계인 매질의 밀도전이시간보다 최소 100배 이상 빠른 NAND, OR 등 광양자로직을 느린빛 통제 양자결맞음으로 달성했고, 둘째, 기존물리학이 허용하는 최대 저장시간 한계인 스핀위상전이시간을 극복하고 최소 만 배 이상 저장시간이 확정된 광잠금 양자메모리를 창안/증명하였다.광양자로직 연구에서는 반도체 적층구조에서 EIT와 느린빛을 실험적으로 증명하여 향후100GHz 이상의 속도와 마이크론 단위소자 크기 그리고 단일광자 수준의 최저 에너지 수준으로 구동가능한 차세대 디지털 광컴퓨터 연구개발을 위한 교두보를 확보하였다. 양자메모리 연구에서는 계획에도 없는 독보적인 광잠금 원리를 창안하여 국제특허를 선점하였음은 물론, 양자리피터 개발에 있어 핵심요건이 되는 최소 저장시간 100초를 확보하였는데, 이 저장시간은 현재 어떠한 방식으로도 확보불가능한 것이다.

연구결과의 활용계획
본 연구개발에 있어 목표했던 두 가지 내용 중 광양자로직은 미래 양자컴퓨터가 개발되었을 경우에 대비하여 양자컴퓨터와의 호환성을 위한 연구였는데, 현재 세계적 추세는 양자 컴퓨터가 아닌 양자정보통신이 주도하는 시기가 되었고, 또한 광컴퓨터에 대한 관심이 거의 사라진 시점이라, 본 연구결과의 향후 활용계획은 양자통신 특히 장거리 양자통신에 있어 필수 하드웨어가 되는 양자리피터에 대한 연구개발이 될 것이다. 양자리피터가 개발되면 이를 바탕으로 글로벌 양자네트워크가 구축될 것인데, 이 경우를 대비하여 양자노드개발과 양자노드 사이의 다자간 양자인터페이스 연구는 가장 중요한 연구주제가 될 것이다. 따라서 본 연구결과인 광잠금 양자메모리를 미래 장거리 양자통신구현에 있어 양자리피터 연구로 활용하는 것은 매우 당연하고 이를 통해 글로벌 양자네트워크로 확장시키는 것은 매우 시기적절하기에, 양자정보통신 분야에 있어 세계시장을 선점할 수 있는 최적의 시기와 기회가 되는 셈이다.

Abstract ▼

Purpose&contents
For the research of universal photon computing, photon logic gates and quantum memories are developed to compete with digital electronic computers and for compatibility between digital and analog data.The research goal is therefore to prove the suggested idea of photon switching

Purpose&contents
For the research of universal photon computing, photon logic gates and quantum memories are developed to compete with digital electronic computers and for compatibility between digital and analog data.The research goal is therefore to prove the suggested idea of photon switching,photon logic gates,and quantum memories in a rare-earth doped solid or cold atoms.Then ultrahigh speed logic gate is demonstrated in nano materials such as semiconductors for photon transport between two photon nodes as an essential element of the photon logic gates. For quantum memories, a suggested novel protocol using reversible spin coherence,which is completely different from conventional ones , is implemented for multimode quantum optical data storage. 1^st stage of research (stage of hypothesis proof) : As the basic research for the implementation of photon CPU and quantum memory, 1. a rare-earth doped crystal is used for the experiments of photon logic gates, 2.quantum memory, and 3. quantum transportation. 2^nd stage of research (stage of limitation overcoming): 1. The research results of photon logic gates in the 1^ststage is performed in semiconductor quantum wells or dots; 2. The quantum memory protocol obtained in the 1^st stage is proved experimentally. 3^rd stage of research (stage of photon computing) : 1. Universal photon computing is researched for 100GHz speed of photon logic gate operations, quantum memory and quantum transportation for the compatibility between digital and analogue data.

Result
Over the last nine years of the present research, the followings are obtained: 1.Demonstrations of photon logic gates for NAND and OR operations, hundred times faster than the current physics limitation; 2. Demonstrations of ulralong quantum memory, having 10,000 times longer storage time compared with the current physics limitation based on spin phase decay time. In the photon logic gate research, EIT and slow light were demonstrated in semiconductor multiple quantum wells and opene d a door to the next generation digital all-optical computing at a hyper 100GHz speed. In the quantum memory research, a unique optical locking technique is patented in the US and Korea, where this technique will be applied for the quantum repeater research to deploy a global quantum network. No other results exists in quantum memories applicable to quantum repeaters.

Expected Contribution
Among the above two research results obtained (photon logic gates and quantum memories), the quantum memory research should be continued and extended toward quantum network research, where quantum repeaters and multiparty quantum interface play a major role. Recently, quantum communication has a gain of research interest globally due to demanded security as well as increased potential compared with quantum computers limited by entangled qubit numbers. Thus, a direct contributi on of the present ultralong quantum memory to quantum repeaters is in the possibility to build up long distance quantum communications, otherwise impossible to implement. Based on quantum repeaters, quantum interface between two or more quantum nodes should be the major research topic, where the key hardware of quantum nodes is quantum memory for entanglement generation, swapping, and teleportation. Continued research to the quantum network is timely appropriate to compete with and to lead global quantum information society.