연구자들이 양자 얽힘을 이용하여 “초광대역”을 달성하다

로체스터 대학교의 연구자들은 양자 얽힘을 이용하여 엄청난 대역폭을 달성하였다. 그들은 얇은 필름 나노 광학 장치를 이용하여 이를 수행하였다.

이 새로운 접근 방식은 측정 및 감지 실험에서 감도와 해상도를 향상시키고, 정보 처리 및 통신을 위한 양자 네트워크에서 정보의 더 높은 차원 인코딩을 가능하게 할 수 있다.

이 연구는 Physical Review Letters에 발표되었다.

양자 얽힘

양자 얽힘은 두 개의 양자 입자가 서로 연결되어 있을 때 발생하며, 이는 두 입자가 극도로 멀리 떨어져 있어도 발생할 수 있다. 한 입자의 관측은 다른 입자에 영향을 미치며, 두 입자가 서로 통신하고 있음을 보여준다.

광자가 나타나고 얽힘에 참여하면 많은 가능성이 열린다. 예를 들어, 광자의 주파수는 얽히고 대역폭을 제어할 수 있다.

Qiang Lin은 전기 및 컴퓨터 공학 교수이다.

“이 연구는 나노 광학 칩에서 초광대역 양자 얽힘을 생성하는 데 큰 발전을 나타낸다”라고 Lin은 말한다. “그리고 이는 통신, 컴퓨팅, 및 감지 등을 위한 미래의 양자 장치를 개발하기 위한 나노 기술의 힘을 보여준다.”

광의 광대역 얽힘

현재의 장치들은 일반적으로 광대역 광의 얽힘을 생성하기 위해 벌크 크리스탈을 작은 섹션으로 나누어야 한다. 각 섹션은 광학적 특성이 약간 다르며 서로 다른 주파수의 광자 쌍을 생성한다. 이러한 주파수를 결합하면 더 큰 대역폭을 달성할 수 있다.

Usman Javid는 Lin의 연구실에서 박사 과정 학생이며 이 논문의 주요 저자이다.

“이것은 khá 비효율적이며 광子の 밝기와 순수성이 줄어드는 비용이 발생한다”라고 Javid는 말한다. “대역폭과 생성된 광자 쌍의 밝기 사이에는 항상 트레이드오프가 존재하며, 두 가지 중 하나를 선택해야 한다. 우리는 우리의 분산 공학 기술을 사용하여 이러한 트레이드오프를 완전히 회피하고 기록적인 대역폭과 기록적인 밝기를 모두 얻었다.”

연구팀이 개발한 얇은 필름 리튬 니오베이트 나노 광학 장치는 양쪽에 전극이 있는 단일 波導를 사용한다. 벌크 장치는 밀리미터 단위의 크기일 수 있지만, 얇은 필름 장치는 600 나노미터의 두께로 매우 인상적이다. 이는 벌크 크리스탈의 단면面積보다 1백만 배 작아, 波導의 크기에 따라 빛의 전파가 매우 민감하다.

수 나노미터의 차이로 인해 빛의 위상과 그룹 속도가 크게 변할 수 있다.因此, 장치는 쌍 생성 과정에서 운동량이 일치하는 대역폭을 제어할 수 있다.

“우리는 이 대역폭을 최대화하는 기하학을 찾기 위해 매개변수 최적화 문제를 해결할 수 있다”라고 Javid는 말한다.

장치의 배치

연구팀은 실험실 환경에서 장치를 배치할 준비가 완료되었지만, 상업적으로 사용하려면 더 효율적이고 저렴한 제조 공정을 개발해야 한다.

리튬 니오베이트의 제조는 아직 초기 단계에 있으며, 비용 측면에서 개선해야 한다.

연구팀은 전기 및 컴퓨터 공학부의 Jingwei Ling, Mingxiao Li, 및 Yang He와 함께 연구를 수행하였다. 또한 광학 연구소의 Jeremy Staffa도 이 프로젝트에 참여하였다.