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현실적인 조건에서 양자 통신 시연
현실적인 조건에서 양자 통신 시연
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현실적인 조건에서 양자 통신 시연
연구원들은 428km 의 광섬유를 따라 안전한 " 실제 " 양자 통신을 달성했는데 , 이는 실험실 환경을 벗어난 가장 긴 지상 거리입니다 .
데이터를 안전하게 전송하는 기능은 오늘날의 디지털 사회에서 매우 중요합니다. 양자 물리학의 기본 법칙을 활용하는 한 가지 유망한 암호화 접근 방식은 트윈 필드 양자 키 배포(twin-field QKD)로 알려져 있습니다. 중국 과학 기술 대학의 Jian-Wei Pan과 Teng-Yun Chen이 이끄는 연구팀과 중국 Jinan Institute of Quantum Technology의 Xiang-Bin Wang이 이끄는 연구팀은 이제 이 기술을 가장 먼 거리에서 시연했습니다. 실제 환경에서 현재까지 [ 1 ]. 팀은 시연을 통해 실험실 외부에서 기술의 타당성을 확인했다고 말합니다.
트윈 필드 QKD에서 공간적으로 분리된 두 당사자("Alice" 및 "Bob")는 큐비트를 단일 광자로 비밀리에 인코딩하여 제3자인 "Charlie"를 통해 서로에게 보냅니다. Charlie는 단일 광자 간섭 프로토콜을 수행합니다. 이 간섭을 통해 Charlie는 Alice와 Bob의 비밀 큐비트가 동일한지 또는 다른지(00 또는 11 대 01 또는 10) 추론할 수 있지만 Charlie는 절대값을 결정할 수 없으므로 체계를 해킹 방지할 수 있습니다.
그들의 시연에서 팀은 300km의 가시 거리로 분리된 두 사용자 사이에 428km의 상용 광섬유를 따라 광자를 보내는 쌍정 QKD의 현장 테스트를 수행했습니다. (앨리스는 중국 제남에, 밥은 중국 칭다오에 있었다. 찰리는 린이에서 둘의 중간쯤에 앉았다.)
Chen은 트윈 필드 QKD가 더 긴 광섬유를 따라 달성되었다고 말합니다. 지금까지 기록은 500km가 넘었습니다. 그러나 그 경우에는 광섬유가 실험실 내부에 감겨 있었기 때문에 Alice와 Bob의 물리적 분리는 최소화되었습니다. Chen은 이제 현실 세계에서 장거리 시연을 실현할 때라고 말했습니다.
엔지니어들은 외부 추진 없이 움직이고 모양이 변하는 마이크로미터 크기의 입자를 설계하기 시작했습니다. 소위 "활성 물질"을 생성하기 위한 한 가지 기술은 유체의 유전체 입자에 강한 전기장을 가하는 것입니다. 연구자들은 이 전기장이 입자를 자발적으로 회전시킨다는 것을 보여주었습니다. 그러나 이 시스템의 역학은 제대로 이해되지 않고 있습니다. 이제 뉴욕 컬럼비아 대학의 Kyle Bishop과 동료들은 평평한 전극 위의 액체에 부유된 유전체 입자가 일반적으로 사용되는 모델에서는 설명할 수 없는 방식으로 앞뒤로 진동한다는 것을 실험적으로 관찰했습니다[ 1 ].
그들의 실험에서 팀은 직경이 1에서 50까지인 플라스틱 구체를 분산시켰습니다. 알 수 없는 노드 유형: 글꼴m 계면 활성제를 포함하는 약한 전도성 탄화수소 용액에서. 그들은 두 개의 전도성 유리 조각 사이에 용액의 일부를 끼우고 현미경으로 무슨 일이 일어나는지 관찰했습니다.
팀은 전기장이 유체의 점도와 구체의 분극성에 의존하는 특정 값을 초과할 때 일부 구체가 골프공처럼 굴러가기 시작하는 것을 관찰했습니다. 이 운동은 구에 대한 비대칭 전하 분포에서 비롯되었습니다. 필드를 더 늘리면서 팀은 다른 구체가 진자처럼 앞뒤로 진동하기 시작하는 것을 관찰했습니다.
시스템을 모델링하면서 연구자들은 구 주변의 소위 경계층(이온의 균형과 그 움직임이 벌크와 다른 액체 층)이 구의 반지름만큼 두꺼울 때 진동이 시작될 것으로 예측합니다. 더 큰 구체의 경우 이 레이어가 너무 얇아 구체가 진동을 활성화할 수 없습니다.
소형화되고 에너지 효율적이며 초고속 정보 처리 장치에 대한 수요가 계속 증가하고 있지만 제조업체는 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)를 기반으로 하는 기존 기술의 근본적인 한계에 접근하고 있습니다. 진행을 가로막는 주요 장벽 중 하나는 줄 가열입니다. CMOS 구성 요소가 더 빠르고 더 작아짐에 따라 전자 전하의 흐름으로 인해 축적되는 열로 인해 더 많은 고통을 겪습니다. 연구원들은 이동 전하를 완전히 없애 이 문제를 우회할 것을 제안했습니다. 대신, 정보 처리는 자기 매체에서 "마그논"(전자 스핀 여기의 준입자)을 조작하여 수행할 수 있습니다. 이제 취리히에 있는 스위스연방공과대학(ETH)의 리처드 슐리츠(Richard Schlitz)는1 ].
포논이 격자 진동의 일관된 전파를 나타내는 것처럼 마그논은 전자의 자기 모멘트의 집합적 세차를 나타냅니다. 두 경우 모두, 준입자를 유지하는 여기가 격자 내에서 고정된 상태로 유지되더라도 이러한 준입자는 물질을 통해 이동합니다. 마그논을 기반으로 한 온칩 데이터 처리의 가능성은 "마그노닉스"라고 불리는 물리학의 새로운 영역을 자극하고 있습니다. 여기서 마그논 전류는 각각 스핀트로닉 또는 전자 장치에서 사용되는 스핀 또는 전하 전류를 대체합니다 [ 2 , 3]. 그러나 이것은 간단한 교체가 아닙니다. 전자 드리프트 전류가 전하의 물리적 운동인 반면, 마그논 전류는 집단 스핀 세차 단계의 전파만을 나타냅니다. 이 차이는 마그논과 자기장의 상호 작용이 전자와 전기장의 상호 작용과 유사하지 않다는 것을 의미합니다. 회로를 통해 마그논을 구동하는 대신 자기장은 주파수만 변경합니다. 대신, 마그논 드리프트 전류는 자기 매체의 반전 대칭을 깨뜨리는 메커니즘에 의해 조작되어야 합니다.
이러한 메커니즘 중 하나는 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(DMI)이며, 이는 스핀-궤도 결합이 큰 비자성층과 강자성층 사이의 접촉에서 발생할 수 있습니다. 이 계면 DMI(iDMI)는 2개의 강자성 원자의 스핀이 계면 반대편의 비자성 층에 속하는 비자성 원자를 통해 상호 작용하는 비대칭 3자리 교환 상호작용입니다. 결과적으로 DMI 벡터는 계면의 평면에 놓여 광학 마그논-분광기 기술을 사용하여 직접 조사할 수 있는 비대칭 마그논 분산을 생성합니다[ 4]. 그러나 이 프로빙 기술은 iDMI에 의해 유도된 "순수한" 마그논 드리프트 전류와 마그논 화학 전위에 의해 유도되는 확산 마그논 전류를 구별할 수 없습니다. 그 결과, 마그논 드리프트 전류의 깨끗한 관찰은 보고되지 않았습니다.
새로운 연구에서 Schlitz와 그의 동료들은 시스템을 설명하는 방정식에 추가 비대칭 항을 포함함으로써 드리프트 전류 기여가 확산 마그논 전류에 추가되는 마그논 수송 이론을 제안합니다. 이 추가 항의 효과는 팀이 실험적으로 두 기여를 분리하는 방법으로 사용한 마그논 속도의 등방성을 만드는 것입니다. 그들은 스퍼터 증착 알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴 (YIG) 박막 상의 (111) 배향 알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴(GGG) 기질. YIG는 장거리 스핀파 전파를 허용하는 반면 YIG-GGG 인터페이스는 iDMI를 생성하는 것으로 나타났기 때문에 이러한 연구에 널리 사용되는 페리자성 산화물 [ 5]. 팀의 설정이 이전 실험과 다른 부분은 혁신적인 비국소 측정 기술에 있습니다. 일반적으로 재료의 이러한 비국부적 전기 측정은 물리적으로 분리된 두 개의 접촉 패드를 사용하여 수행됩니다. 전류는 접촉 패드 중 하나를 통해 재료로 보내지고 재료의 저항은 다른 접촉 패드에서 전압을 측정하여 계산됩니다. 전압이 전류가 흐르는 접촉 패드에서 멀리 떨어져 측정될 때 계산된 저항은 접촉 패드가 제조되는 재료의 전송 특성에 대한 정보를 전달합니다. 문제는 단순화된 마그논 수송 모델에 의해 설명된 바와 같이 비국소 저항이 재료의 확산 및 드리프트 마그논 전류의 조합으로 인해 발생한다는 것입니다. 따라서 실험에서 두 가지 효과를 구분할 방법이 없습니다.
이러한 기존의 2-접점 접근 방식의 한계를 피하기 위해 Schlitz와 그의 동료들은 YIG 필름 위에 동일한 간격으로 평행한 3개의 백금 와이어를 제작했습니다(그림 1).). 중심선에 발진전류를 구동함으로써 스핀 홀 효과(SHE)를 통해 하부 YIG 층에 마그논 전류를 유도했다. SHE는 백금 및 기타 중금속과 같이 스핀-궤도 결합이 큰 물질에서 전하 전류의 흐름의 결과로 순수한 스핀 전류를 생성합니다. ISHE로 알려진 역효과는 스핀 전류를 충전 전류로 변환함으로써 발생하는 전압입니다. 마그논 드리프트 전류가 없는 경우 확산 마그논 전류는 각 와이어에서 동일한 전압을 생성하며 전압의 크기는 자기장 강도 및 방향에 따라 달라집니다. 그러나 드리프트 전류는 전압 비대칭을 생성합니다. 물론, 연구팀은 각 와이어에서 ISHE 유도 전압이 다르고 자기장 방향이 변경됨에 따라 이러한 전압이 비대칭적으로 변한다는 것을 발견했습니다. 이 비대칭성에서 연구원들은 분리된 드리프트 전류 기여도를 계산할 수 있었습니다.
Schlitz와 동료들의 마그논 드리프트 전류에 대한 명확한 시연은 마그노닉스에서 중요한 현상의 원리 증명입니다. 이와 같이 결과는 개선된 마그논 기반 논리 및 통신 장치와 같은 새로운 가능성을 열어줍니다. 미래의 목표는 YIG-GGG 인터페이스보다 더 강력한 DMI 효과를 생성하여 마그논 드리프트 전류를 향상시키는 재료 조합을 찾는 것입니다. 이러한 재료는 또한 상당한 마그논 전파를 허용하기 위해 낮은 수준의 Gilbert 감쇠(스핀 여기를 소멸시키는 현상)를 나타내야 합니다. 그러나 DMI가 이 도시의 유일한 게임은 아닐 수도 있습니다. 비대칭 또는 비균일 필드[ 6 ] 및 Rashba 효과[ 7 ]와 같은 반전 대칭 깨기의 다른 메커니즘] - 또한 큰 마그논 드리프트 전류를 실현하는 데 활용될 수 있으며 이러한 아이디어의 시연을 기대합니다.
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