연구자, 양자 얽힘을 이용하여 ‘초광대역’ 달성

로체스터 대학교의 연구자들은 양자 얽힘을 이용하여 놀라울 정도로 큰 대역폭을 달성하였다. 이는 얇은 필름 나노 광학 장치를 사용함으로써 가능하였다.

이 새로운 접근 방법은 측정과 감지 실험에서 감도와 분해능을 향상시키고, 정보 처리와 통신을 위한 양자 네트워크에서 정보의 고차원 인코딩을 가능하게 할 수 있다.

이 연구는 물리학 리뷰 레터에 발표되었다.

양자 얽힘

양자 얽힘은 두 개의 양자 입자가 서로 연결되어 있을 때 발생하며, 이는 두 입자가 매우 멀리 떨어져 있어도 발생할 수 있다. 하나의 입자를 관찰하면 다른 입자에도 영향을 미치게 되어, 두 입자가 서로 통신하고 있음을 보여준다.

광자가 양자 얽힘에 참여하면 많은 가능성이 열린다. 예를 들어, 광자의 주파수는 얽혀있을 수 있고, 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, 감지 등을 위한 미래의 양자 장치를 개발하는 데 나노 기술의 힘을 보여준다.”

광의 초광대역 얽힘

현재 장치들은 thường적으로 대역폭을 생성하기 위해 벌크 크리스탈을 작은 섹션으로 나누어야 한다. 각 섹션은 광자의 주파수를 조금씩 다르게 하여 광자 쌍을 생성한다. 이러한 주파수를 모두 더함으로써 더 큰 대역폭을 달성할 수 있다.

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

“이 방법은 매우 비효율적이며, 생성된 광자의 밝기와 순수성이 줄어드는 代価를 치ル다”라고 Javid는 말한다. “대역폭과 생성된 광자 쌍의 밝기 사이에는 항상 트레이드오프가 존재하며, 둘 중 하나를 선택해야 한다. 그러나 우리는 분산 공학 기술을 사용하여 이 트레이드오프를 완전히 회피하여, 기록적인 대역폭과 기록적인 밝기를 동시에 달성하였다.”

새로 개발된, 얇은 필름 리튬 니오베이트 나노 광학 장치는 팀에 의해 생성되었으며, 양쪽에 전극이 있는 단일 파장 가이드를 사용한다. 벌크 장치는 밀리미터 단위의 크기일 수 있지만, 얇은 필름 장치는 600 나노미터의 두께로 매우 얇다. 이는 벌크 크리스탈의 단면面積보다 1백만 배 작으며, 파장이 매우 민감하다.

파장이 몇 나노미터만 변해도, 파장이 통과하는 파장 가이드의 차원에 매우 민감하다. 따라서, 장치는 쌍 생성 과정에서 모멘텀 매칭되는 대역폭을 제어할 수 있다.

“우리는 매개변수 최적화 문제를 해결하여 대역폭을 최대화하는 기하학을 찾을 수 있다”라고 Javid는 말한다.

장치의 배치

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

리튬 니오베이트 제조 기술은 아직 초기 단계에 있으며, 경제적인 측면을 개선해야 한다.

팀은 전기 및 컴퓨터 공학부의 Jingwei Ling, Mingxiao Li, Yang He와 함께 연구를 수행하였으며, 옵틱스 연구소의 Jeremy Staffa도 이 프로젝트에 참여하였다.