KR20220015561A - 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기 및 그 측정 방법 - Google Patents
양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기 및 그 측정 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20220015561A KR20220015561A KR1020200095698A KR20200095698A KR20220015561A KR 20220015561 A KR20220015561 A KR 20220015561A KR 1020200095698 A KR1020200095698 A KR 1020200095698A KR 20200095698 A KR20200095698 A KR 20200095698A KR 20220015561 A KR20220015561 A KR 20220015561A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- quantum
- measurement
- square
- homodyne
- signal
- Prior art date
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 66
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 22
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 190
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims description 46
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 18
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 claims description 16
- 238000004321 preservation Methods 0.000 claims description 7
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 6
- 230000010365 information processing Effects 0.000 abstract description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 12
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 6
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 5
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 5
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 5
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 3
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 3
- 241001331845 Equus asinus x caballus Species 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000005610 quantum mechanics Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
- G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
- G01S7/4816—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of receivers alone
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/006—Theoretical aspects
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
- G01S17/04—Systems determining the presence of a target
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
- G01S17/06—Systems determining position data of a target
- G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
- G01S17/32—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
- G01S7/4804—Auxiliary means for detecting or identifying lidar signals or the like, e.g. laser illuminators
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
- G01S7/491—Details of non-pulse systems
- G01S7/4912—Receivers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
- G01S7/491—Details of non-pulse systems
- G01S7/4912—Receivers
- G01S7/4917—Receivers superposing optical signals in a photodetector, e.g. optical heterodyne detection
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Communication System (AREA)
Abstract
본 발명의 목적은 연속 변수(Continuous Variable)을 사용하는 양자 정보 프로세싱에서 사용되는 호모다인 측정(Homodyne Detection)과 데이터 프로세싱을 이용한 제곱 호모다인 측정(Square of Homodyne Detection)을 이용한 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기 및 그 측정 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기는, 입력단으로 들어오는 신호를 섞는 제 1 50:50 빔 가르개; 및 상기 제 1 50:50 빔 가르개의 2개의 출력단으로 각각 출력되는 광량을 측정하는 2개의 광량 측정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기는, 입력단으로 들어오는 신호를 섞는 제 1 50:50 빔 가르개; 및 상기 제 1 50:50 빔 가르개의 2개의 출력단으로 각각 출력되는 광량을 측정하는 2개의 광량 측정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 양자 수신기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정을 이용한 양자 수신기 및 그 측정 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 양자 조명(Quantum Illumination)이란 양자 역학적으로 얽혀있는 한 쌍의 신호를 이용하여 목표물의 존재 유무를 탐지하는 기술이다.
도 1은 종래의 양자 조명 구성도이다.
도 1을 참조하면, 기존의 고전 조명(Classical Illumination)이 신호파를 생성하여 목표물에서 반사되어 돌아온 신호를 측정함으로써 목표물의 존재 유무를 탐지하는 것과 달리, 양자 조명에서는 생성된 한 쌍의 양자 상태인 시그널(Signal)과 아이들러(Idler) 중 시그널을 목표물로 보낸 후, 반사되어 돌아온 양자 상태를 다른 하나의 양자 상태인 아이들러와 함께 측정한다.
도 2는 종래의 양자 조명에서, 목표물이 존재하지 않는 경우(H0, 빨간선)와 목표물이 존재하는 경우(H1, 파란선)의 기댓값 분포로, 
는 목표물 존재 유무의 판단 기준을 나타내며 빨간 면이 오측정, 파란 면이 탐지 오류를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 측정값에 따라 목표물이 존재하는지(H1) 또는 존재하지 않는지(H0)를 판단한다.
그런데, 이러한 조명 문제에서는 신호의 소실과 잡음이 목표물 탐지를 어렵게 만드는 가장 큰 요소이다.
목표물의 반사율이 낮거나 산란 등으로 보낸 신호가 돌아오지 않는 경우 목표물이 있음에도 불구하고 탐지되지 않는 탐지 오류(Missed Detection)가 발생하고, 목표물이 없는데도 불구하고 열적 잡음으로 인하여 측정기에서 오측정(False Alarm)이 일어나는 경우도 있다.
탐지 오류가 일어날 확률과 오측정이 일어날 확률을 더하여 오류율이라고 한다.
양자 조명은 고전적인 물리 이론으로는 설명되지 않는 얽힘이라는 양자 역학적 강한 상관 관계가 있는 신호를 이용하여 목표물의 반사율이 매우 낮고, 열적 잡음이 큰 경우 고전 조명보다 더 낮은 오류율을 갖는 것으로 알려져 있다.
상술한 바와 같이, 양자 조명에서는 상관 관계가 존재하는 두 신호 중 하나의 신호만을 목표물로 보낸다.
이를 위하여 이중 모드 진공 압축 상태(Two-Mode Squeezed Vacuum, TMSV)라는 얽힌 상태가 사용된다.
이중 모드 진공 압축 상태는 광자 수 모드에 대해 다음과 같이 식 1로 나타낼 수 있다.
여기서, Ns는 한 모드의 평균 광자 수이다.
생성된 두 개의 모드 중 시그널(S) 모드는 목표물로 보내고, 다른 하나인 아이들러(I) 모드는 연선(Delay Line) 혹은 양자 메모리(Quantum Memory)와 같은 보존부를 이용하여 보존하고 있다가, 목표물에서 반사되어 돌아온 신호와 아이들러를 함께 측정함으로써 목표물의 존재 유무를 측정한다.
이 때, 두 신호를 함께 측정하는 이유는 두 신호의 상관 관계의 변화를 보기 위한 것이다.
열잡음의 보존 연산자를 
라고 한다면, 돌아온 신호의 보존 연산자 
은 시그널 모드의 보존 연산자 
와 다음과 같은 식 2의 관계를 가진다.
여기서, 
는 목표물의 반사율이다.
보낸 신호가 소실되어 잡음만이 측정되었다면(
=0), 다른 하나의 신호와의 상관 관계가 나타나지 않을 것이고, 보낸 신호가 일부만이라도 돌아왔다면(
≠0), 상관 관계가 측정될 것이다.
상관 관계 변화를 얼마나 측정할 수 있는지는 양자 조명에서 중요한 문제이다.
양자 조명의 상관 관계 측정을 위한 양자 수신기(Quantum Receiver)의 구성은 매우 어려운 문제로, 소수의 수신기만이 연구된 바 있다.
광 매개 증폭기(Optical Parametric Amplifier, OPA) 수신기, 위상 반전(Phase Conjugate, PC) 수신기, 피드포워드 합-주파수 생성(Feed-Forward Sum-Frequency Generation, FF-SFG) 수신기가 그것이다.
이러한 수신기들을 이용하는 경우 고전 조명의 이론적인 최소 오류율보다 낮은 오류율을 갖는 양자 조명을 구현할 수 있다.
하지만 언급된 모든 수신기들은 두 신호의 상호 작용을 위하여 비선형 광학(Non-Linear Optics) 기기를 이용한다.
이러한 비선형 광학 기기는 평균 광자 수가 1보다 작은 신호를 이용하는 양자 조명 실험에서 측정 효율을 감소시키며, 실험 구성을 복잡하게 만드는 문제점이 있었다.
따라서, 비선형 광학 기기를 배제한 하고 측정 효율을 높이면서도 고전 조명보다 낮은 오류율을 갖는 측정 시스템을 개발하는 것이 요구되고 있다.
상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 연속 변수(Continuous Variable)을 사용하는 양자 정보 프로세싱에서 사용되는 호모다인 측정(Homodyne Detection)과 데이터 프로세싱을 이용한 제곱 호모다인 측정(Square of Homodyne Detection)을 이용한 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기 및 그 측정 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기는, 입력단으로 들어오는 신호를 섞는 제 1 50:50 빔 가르개; 및 상기 제 1 50:50 빔 가르개의 2개의 출력단으로 각각 출력되는 광량을 측정하는 2개의 광량 측정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기에서, 2개의 출력단 중 하나인 제 1 출력단으로 출력되는 광량을 호모다인 측정하는 제 1 광량 측정부; 및 2개의 출력단 중 다른 하나인 제 2 출력단으로 출력되는 광량을 호모다인 측정하는 제 2 광량 측정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기에서, 상기 제 1 광량 측정부는, 상기 제 1 광량 측정부로 들어오는 광 신호와 제 1 국부 발진기에서 생성된 연속파를 제 2 50:50 빔 가르개에 의해 섞고, 상기 제 2 50:50 빔 가르개의 2개의 출력단으로 각각 출력되는 제 1 광량 차를 측정하는 제 1 호모다인 측정을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기에서, 상기 제 2 광량 측정부는, 상기 제 2 광량 측정부로 들어오는 광 신호와 제 2 국부 발진기에서 생성된 연속파를 제 3 50:50 빔 가르개에 의해 섞고, 상기 제 3 50:50 빔 가르개의 2개의 출력단으로 각각 출력되는 제 2 광량 차를 측정하는 제 2 호모다인 측정을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기에서, 상기 제 1 국부 발진기와, 상기 제 2 국부 발진기의 위상차는 Π/2인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기에서, 상기 제 1 호모다인 측정의 측정값과, 상기 제 2 호모다인 측정의 측정값을 각각 제곱하여 더하여 제곱 호모다인 측정값을 생성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기에서, 상기 제곱 호모다인 측정값을 이용하여 목표물의 유무를 판별하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기에서, 상기 제곱 호모다인 측정값이 미리 정해진 기준치보다 클 경우 상기 목표물이 없는 것으로 판단하고, 상기 제곱 호모다인 측정값이 미리 정해진 기준치보다 작을 경우 상기 목표물이 있는 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기에서, 상기 제 1 호모다인 측정은 상기 제 1 광량 측정부로 들어오는 광 신호의 위치를 측정하고, 상기 제 2 호모다인 측정은 상기 제 2 광량 측정부로 들어오는 광 신호의 운동량을 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기에서, 상기 제 1 50:50 빔 가르개로 들어가는 신호는, 양자 조명인 광원에서 생성된 한 쌍의 양자 상태인 시그널과 아이들러이며, 상기 시그널과 상기 아이들러는 얽힌 상태인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기에서, 상기 광원에서 생성된 상기 시그널은 목표물로 보내진 후 반사되어 상기 제 1 50:50 빔 가르개로 들어가는 양자 상태의 신호인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기에서, 상기 광원에서 생성된 상기 아이들러는 보존부에서 외부와의 상호작용 없이 보존되다가 상기 목표물에서 반사되어 돌아온 시그널과 동시에 상기 제 1 50:50 빔 가르개로 들어가는 양자 상태의 신호인 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기를 이용한 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 방법에 있어서, 양자 조명인 광원에서 생성된 신호 중 목표물로부터 반사된 시그널 신호와 보존부에서 보존된 아이들러 신호를 50:50 빔 가르개를 이용하여 섞는 제 1 단계; 상기 50:50 빔 가르개의 2개의 출력단에서 출력되는 각각의 광량을 각각 호모다인 측정하는 제 2 단계; 호모다인 측정에 의해 획득한 각각의 호모다인 측정값을 제곱하여 더한 값을 상기 양자 수신기의 측정값으로 판단하는 제 3 단계; 및 상기 양자 수신기의 측정값과 하기 식 3의 T를 비교하는 제 4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
[식 3]
- 여기서, 
는 X 연산자의 기대값을 나타내며, 
는 X 연산자의 분산을 나타냄 -
또한, 본 발명에 따른 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 방법에서, 상기 제 2 단계에서, 상기 2개의 출력단 중 하나의 출력단은 상기 시그널 신호와 동일 방향이고, 상기 2개의 출력단 중 다른 하나의 출력단은 상기 아이들러 신호와 동일 방향인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 방법에서, 상기 하나의 출력단에서 측정되는 호모다인 측정값은 상기 시그널 신호의 위치 측정값이고, 상기 다른 하나의 출력단에서 측정되는 호모다인 측정값은 상기 아이들러 신호의 운동량 측정값인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 방법에서, 상기 양자 수신기의 측정값이 상기 식 3의 T보다 클 경우 목표물이 없는 것으로 판단하고, 상기 양자 수신기의 측정값이 상기 식 3의 T보다 작을 경우 목표물이 있는 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기는, 한 쌍의 양자 상태인 시그널과 아이들러를 생성하는 양자 조명인 광원; 상기 광원으로부터 생성된 시그널을 반사시키는 목표물; 상기 광원으로부터 생성된 아이들러를 보존하는 보존부; 상기 목표물로부터 반사된 시그널과, 보존된 상기 아이들러를 입력단으로부터 받아 섞는 50:50 빔 가르개; 및 상기 50:50 빔 가르개의 제 1 출력단 및 제 2 출력단으로부터 출력되는 각각의 광량을 호모다인 측정하는 제 1 광량 측정부 및 제 2 광량 측정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
기타 실시 예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 각 실시 예의 구성만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로도 구현될 수도 있으며, 단지 본 명세서에서 개시한 각각의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐임을 알아야 한다.
본 발명에 의하면, 연속 변수(Continuous Variable)을 사용하는 양자 정보 프로세싱에서 사용되는 호모다인 측정(Homodyne Detection)과 데이터 프로세싱을 이용한 제곱 호모다인 측정(Square of Homodyne Detection)을 이용한 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기 및 그 측정 방법을 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 양자 수신기는 비선형 광학 기기가 포함되어 있지 않기 때문에, 실험의 구성이 용이할 뿐 아니라 효율이 향상될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 양자 조명 구성도.
도 2는 종래의 양자 조명에서, 목표물이 존재하지 않는 경우(H0, 빨간선)와 목표물이 존재하는 경우(H1, 파란선)의 기댓값 분포로,
는 목표물 존재 유무의 판단 기준을 나타내며 빨간 면이 오측정, 파란 면이 탐지 오류를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 호모다인 측정 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 제곱 호모다인 측정을 이용한 양자 조명 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 제 1 호모다인 측정 구성도.
도 6은 본 발명에 따른 제 2 호모다인 측정 구성도.
도 7은 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 방법의 흐름을 나타내는 플로우 차트.
도 8은 양자 조명의 수신기에 따른 목표물의 반사율과 단일 모드의 측정 신호 대 잡음비 관계 그래프.
도 9는 양자 조명의 수신기에 따른 목표물의 반사율과 구분 신호 대 잡음비 관계 그래프.
도 10은 양자 조명의 수신기에 따른 목표뮬의 반사율과 구분 신호 대 잡음비 관계의 확대 그래프.
도 11은 실험으로 획득한 이중 모드 진공 압축 상태의 각 모드의 광자 수에 대한 2차 상관 관계 그래프.
도 12는 양자 광원의 실험값을 이용한 양자 조명의 각 측정 방법의 측정값 시뮬레이션 비교 그래프로, (a)는 제곱 호모다인 측정 이용 수신기이고, (b) OPA 수신기이며, (c) PC 수신기이고, (d) 호모다인 측정을 이용한 고전 조명인 그래프.
도 2는 종래의 양자 조명에서, 목표물이 존재하지 않는 경우(H0, 빨간선)와 목표물이 존재하는 경우(H1, 파란선)의 기댓값 분포로,
도 3은 본 발명에 따른 호모다인 측정 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 제곱 호모다인 측정을 이용한 양자 조명 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 제 1 호모다인 측정 구성도.
도 6은 본 발명에 따른 제 2 호모다인 측정 구성도.
도 7은 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 방법의 흐름을 나타내는 플로우 차트.
도 8은 양자 조명의 수신기에 따른 목표물의 반사율과 단일 모드의 측정 신호 대 잡음비 관계 그래프.
도 9는 양자 조명의 수신기에 따른 목표물의 반사율과 구분 신호 대 잡음비 관계 그래프.
도 10은 양자 조명의 수신기에 따른 목표뮬의 반사율과 구분 신호 대 잡음비 관계의 확대 그래프.
도 11은 실험으로 획득한 이중 모드 진공 압축 상태의 각 모드의 광자 수에 대한 2차 상관 관계 그래프.
도 12는 양자 광원의 실험값을 이용한 양자 조명의 각 측정 방법의 측정값 시뮬레이션 비교 그래프로, (a)는 제곱 호모다인 측정 이용 수신기이고, (b) OPA 수신기이며, (c) PC 수신기이고, (d) 호모다인 측정을 이용한 고전 조명인 그래프.
본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.
즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.
본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.
더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"라고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결하기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.
반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.
마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.
또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.
본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.
또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대해 상세한 설명은 생략될 수도 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 대해 관련 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 호모다인 측정 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 호모다인 측정은 다음과 같이 이루어진다
즉, 광원(10)과, 국부 발진기(20)와, 50:50 빔 가르개(30)와, 2개의 광량 측정부(40, 50)에 의해 호모다인 측정이 이루어진다.
광원(10)에서 생성된 신호와, 국부 발전기(20)에서 생성된 연속파를 입력단에서 받아들인 50:50 빔 가르개(30)는 생성된 신호와 연속파를 섞는다.
이후, 50:50 빔 가르개(30)의 2개의 출력단에서 각각 출력되는 광량을 2개의 광량 측정부(40, 50)가 각각 측정하게 된다.
2개의 측정값의 광량 차가 호모다인 측정의 측정값이 된다.
환언하면, 연속 변수(Continuous Variable, CV)를 사용하는 양자 정보 프로토콜에서 사용되는 호모다인 측정(homodyne detection)을 이용한 양자 수신기를 제공한다.
호모다인 측정은 50:50 빔 가르개(30), 2개의 광량 측정기(40, 50), 국부 발진기(Local Oscillator: 20)를 이용하는 측정 방법이다.
50:50 빔 가르개(30)의 한 쪽 입력단에는 돌아온 신호, 즉, 양자 조명으로부터 생성된 2개의 신호 중 시그널 신호를 받아들이고, 다른 한 쪽 단에는 국부 발진기(20)에서 생성된 연속파를 입력한다.
50:50 빔 가르개(30)의 두 개의 출력단에서는 각각의 광량을 측정하고, 두 측정값을 뺀 값이 호모다인 측정의 측정값이 된다.
이때, 국부 발진기(20)의 위상(θ)을 조절하면 들어온 신호인 시그널의 위치 정보(θ=0) 혹은 운동량 정보(θ=90°)를 알 수 있다.
도 3에서는 연속 변수를 사용하는 양자 정보 프로세싱에서 사용되는 호모다인 측정을 설명하였으며, 후술하는 도 4에서는 데이터 프로세싱을 이용한 제곱 호모다인 측정(Square of Homodyne Detection)을 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 제곱 호모다인 측정을 이용한 양자 조명 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 제곱 호모다인 측정을 이용한 양자 조명 구성도는, 광원(100)과, 목표물(200)과, 보존부(300)와, 제 1 50:50 빔 가르개(400)와, 2개의 광량 측정부(500, 600)를 포함한다.
즉, 본 발명에 따른 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기는, 한 쌍의 양자 상태인 시그널과 아이들러를 생성하는 양자 조명인 광원(100)과, 광원(100)으로부터 생성된 시그널을 반사시키는 목표물(200)과, 광원(100)으로부터 생성된 아이들러를 보존하는 보존부(300)와, 목표물(200)로부터 반사된 시그널과, 보존부(300)로부터 보존된 아이들러를 입력단으로부터 동시에 받아 섞는 50:50 빔 가르개(400)와, 50:50 빔 가르개의 제 1 출력단(1) 및 제 2 출력단(2)으로부터 출력되는 각각의 광량을 호모다인 측정하는 제 1 광량 측정부(500) 및 제 2 광량 측정부(600)를 포함한다.
광원(100)은 양자 조명이다.
이와 같이 양자 조명인 광원은 한 쌍의 양자 상태인 시그널과 아이들러를 생성하며, 시그널과 아이들러는 얽힌 상태이다.
광원(100)에서 생성된 시그널은 목표물(200)로 보내진 후, 목표물에 반사되어 제 1 50:50 빔 가르개(400)로 들어가는 양자 상태의 신호이다.
또한, 광원(100)에서 생성된 아이들러는 보존부에서 보존된 후 상기 목표물에서 반사되어 돌아온 시그널과 동시에 상기 제 1 50:50 빔 가르개로 들어가는 양자 상태의 신호이다.
이와 같이, 목표물에 반사된 시그널과, 보존된 아이들러는 제 1 50:50 빔 가르개(400)의 입력단으로 들어가게 된다.
제 1 50:50 빔 가르개(400)는 입력단으로 들어오는 신호, 즉 시그널과 아이들러를 섞는다.
제 1 50:50 빔 가르개(400)의 2개의 출력단으로 각각 출력되는 광량을 2개의 광량 측정부(500, 600)가 각각 측정한다.
여기서, 2개의 출력단 중 하나는 제 1 50:50 빔 가르개(400)의 제 1 출력단으로 출력되는 광량을 호모다인 측정하는 제 1 광량 측정부(500)이고, 2개의 출력단 중 다른 하나는 제 1 50:50 빔 가르개(400)의 제 2 출력단으로 출력되는 광량을 호모다인 측정하는 제 2 광량 측정부(600)이다.
도 5는 본 발명에 따른 제 1 호모다인 측정 구성도이고, 도 6은 본 발명에 따른 제 2 호모다인 측정 구성도이다.
도 5를 참조하면, 제 1 광량 측정부(500)는 제 1 호모다인 측정을 수행하게 되고, 도 6을 참조하면, 제 2 광량 측정부(600)는 제 2 호모다인 측정을 수행하게 된다.
즉, 제 1 광량 측정부(500)에서 연속파를 생성하는 국부 발진기를 제 1 국부 발진기(520)라 하고, 50:50 빔 가르개를 제 2 50:50 빔 가르개(530)라 한다.
제 1 광량 측정부(500)는, 제 1 광량 측정부(500)로 들어오는 광 신호(510)와 제 1 국부 발진기(520)에서 생성된 연속파를 제 2 50:50 빔 가르개(530)에 의해 섞고, 제 2 50:50 빔 가르개(530)의 2개의 출력단으로 각각 출력되는 제 1 광량의 차를 측정하는 제 1 호모다인 측정을 수행한다.
마찬가지로, 제 2 광량 측정부(600)에서 연속파를 생성하는 국부 발진기를 제 2 국부 발진기(620)라 하고, 50:50 빔 가르개를 제 3 50:50 빔 가르개(630)라 한다.
제 2 광량 측정부(600)는, 제 2 광량 측정부(600)로 들어오는 광 신호(610)와 제 2 국부 발진기(620)에서 생성된 연속파를 제 3 50:50 빔 가르개(630)에 의해 섞고, 제 3 50:50 빔 가르개(630)의 2개의 출력단으로 각각 출력되는 제 2 광량의 차를 측정하는 제 2 호모다인 측정을 수행한다.
환언하면, 광원(100)에서 생성된 시그널은 목표물(200)에 의해 반사되어 제 1 50:50 빔 가르개(400)의 입력단에 들어가고, 광원(100)에서 생성된 아이들러는 보존부에서 보존되어 상기 시그널과 동시에 제 1 50:50 빔 가르개(400)의 입력단에 들어간다.
제 1 50:50 빔 가르개(400)에 들어온 시그널과 아이들러는 서로 섞이게 되어, 제 1 출력단(1)과, 제 2 출력단(2)으로 각각 출력된다.
제 1 출력단(1)으로 출력된 광은 제 1 광량 측정부(500)에 의해 제 1 호모다인 측정이 이루어지고, 제 2 출력단(2)으로 출력된 광은 제 2 광량 측정부(600)에 의해 제 2 호모다인 측정이 이루어진다.
제 1 호모다인 측정과 제 2 호모다인 측정은 도 3에 상술한 바와 같이 이루어지게 된다.
제 1 광량부(500)에서 제 1 호모다인 측정을 수행시의 제 1 국부 발진기(520)와, 제 2 광량부(600)에서 제 2 호모다인 측정을 수행시의 제 2 국부 발진기(620)의 위상차는 Π/2일 수 있다.
또한, 제 1 호모다인 측정의 측정값과, 상기 제 2 호모다인 측정의 측정값을 각각 제곱하여 더하여 제곱 호모다인 측정값을 생성하게 된다.
이와 같이 생성된 제곱 호모다인 측정값을 이용하여 목표물의 유무를 판별하게 된다.
이때, 제곱 호모다인 측정값이 미리 정해진 기준치(T)보다 클 경우 목표물이 없는 것으로 판단하고, 제곱 호모다인 측정값이 미리 정해진 기준치(T)보다 작을 경우 목표물이 있는 것으로 판단하게 된다.
여기서, 제 1 호모다인 측정은 제 1 광량 측정부(500)로 들어오는 광 신호의 위치를 측정하고, 제 2 호모다인 측정은 제 2 광량 측정부(600)로 들어오는 광 신호의 운동량을 측정한다.
이에 대해, 도 5를 참조하여 좀 더 상세히 설명하도록 한다.
도 7은 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 방법의 흐름을 나타내는 플로우 차트이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기를 이용한 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 방법은 총 4단계에 의해 이루어진다.
제 1 단계(S100)에서는, 양자 조명인 광원(100)에서 생성된 신호 중 목표물(200)로부터 반사된 시그널 신호와 보존된 아이들러 신호를 50:50 빔 가르개(400)를 이용하여 섞는다.
제 2 단계(S200)에서는, 50:50 빔 가르개(400)의 2개의 출력단(1, 2)에서 출력되는 각각의 광량을 제 1 광량 측정부(500)와, 제 2 광량 측정부(600)에서 각각 호모다인 측정한다.
제 3 단계(S300)에서는, 호모다인 측정에 의해 획득한 각각의 호모다인 측정값을 제곱하여 더한 값을 양자 수신기의 측정값으로 판단한다.
제 4 단계(S400)에서는, 양자 수신기의 측정값과 하기 식 3의 T를 비교한다.
[식 3]
- 여기서, 
는 X 연산자의 기대값을 나타내며, 
는 X 연산자의 분산을 나타냄 -
또한, 밑수 0은 물체가 없을 때(H0)의 기댓값과 분산이고, 밑수 1은 물체가 있을 때(H1)의 기댓값과 분산을 나타내며, K는 사용한 신호 모드 개수이다.
여기서, 제 2 단계(S200)에서, 2개의 출력단 중 하나의 출력단(1)은 시그널 신호와 동일 방향이고, 2개의 출력단 중 다른 하나의 출력단(2)은 아이들러 신호와 동일 방향이다.
이때, 하나의 출력단(1)에서 측정되는 호모다인 측정값은 시그널 신호의 위치 측정값이고, 다른 하나의 출력단(2)에서 측정되는 호모다인 측정값은 아이들러 신호의 운동량 측정값이다.
따라서, 양자 수신기의 측정값이 식 3의 T보다 클 경우 목표물이 없는 것으로 판단하고, 양자 수신기의 측정값이 상기 식 3의 T보다 작을 경우 목표물이 있는 것으로 판단한다.
환언하면, 양자 조명에서 사용될 제곱 호모다인 측정 방법은 다음과 같다.
1. 돌아온 신호(시그널)와 갖고 있던 신호(아이들러)를 50:50 빔 가르개(400)를 이용하여 섞는다.
2. 50:50 빔 가르개(400)의 두 출력단(1, 2)에 각각 호모다인 측정을 행한다. 이때 1번 출력단(들어오는 신호와 같은 방향)에서는 신호의 위치 측정을 행하고(θ=0), 2번 출력단(갖고 있던 신호와 같은 방향)에서는 신호의 운동량 측정을 행한다(θ=90°)
3. 각 호모다인 측정에서 얻은 측정값을 제곱하여 더한 값을 전체 수신기의 측정값으로 한다.
4. 판단 기준 T를 기준으로 전체 수신기의 측정값이 더 크다면 H0로, 측정값이 더 작다면 H1로 판단한다.
판단 기준은 다음 식과 같이 전체 평균으로 정해진다.
상기 식 3에 의한 측정은 연산자를 이용하여 다음과 같이 식 4로 표현할 수 있다.
여기서 
, 
는 각각 위치, 운동량 연산자를 나타내며, 
는 빔 가르개 연산자를나타낸다. 
, 
는 광자의 소멸자와 생성자를 나타는 보존(boson) 연산자이며, 연산자 밑의 
, 
, 1, 2는 각각 돌아온 신호, 갖고 있던 신호, 빔 가르개의 1번 출력단, 빔 가르개의 2번 출력단 모드를 나타낸다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기에 있어서, 제곱 호모다인 측정은 50:50 빔 가르개, 광량 측정기, 국부 발진기로 이루어져 있어, 비선형 광학 기기가 포함되어 있지 않다.
따라서 실험의 구성이 용이할 뿐 아니라 효율이 향상될 수 있다.
실험적 효율은 아래에서 살펴볼 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio, SNR)의 비교를 통해서 확인할 수 있다.
제곱 호모다인 측정의 유용성을 보이기 위하여 제곱 호모다인 측정을 이용한 양자 조명의 SNR을 기존 양자 수신기들을 이용한 양자 조명의 SNR과 비교한다.
제곱 호모다인 측정을 사용한 양자 조명의 성능 분석을 위해 측정 SNR과 구분 SNR을 분석한다.
측정 SNR은 일반적인 신호 측정에서 사용되는 값으로 잡음의 세기 대비 신호 세기 비율을 나타낸다.
해당 값은 다음과 같은 식 5에서 획득할 수 있다.
물체가 존재하는 경우(H1)에 대해서 측정값이 일정하기 때문에 H1의 표준 편차로 SNR을 구할 수 있다.
도 8은 양자 조명의 수신기에 따른 목표물의 반사율과 단일 모드의 측정 신호 대 잡음비 관계 그래프이다.
도 8을 참조하면, 양자 조명의 수신기에 따른 목표물의 반사율과 단일 모드 측정 SNR 관계 그래프를 나타내고 있다.
여기서, 빨간선은 제곱 호모다인 측정을 사용한 경우, 주황선은 OPA 수신기를 사용한 경우, 파란선은 PC 수신기를 사용한 경우이다.
본 그래프에서 신호의 평균 광자 수는 0.001, 열적 잡음의 평균 광자 수는 30이다.
본 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 제곱 호모다인 측정을 사용하면 양자 조명의 측정 SNR이 다른 수신기를 사용한 경우와 비교했을 때 현저하게 향상되는 것을 확인할 수 있다.
구분 SNR은 목표물의 존재 유무에 대한 판단이 얼마나 정확한지를 나타내는 값으로, 다음과 같은 식 6으로부터 구할 수 있다.
도 9는 양자 조명의 수신기에 따른 목표물의 반사율과 구분 신호 대 잡음비 관계 그래프이다.
도 9를 참조하면, 양자 조명의 수신기에 따른 목표물의 반사율과 구분 SNR 관계 그래프를 나타내고 있다.
빨간선은 제곱 호모다인 측정을 사용한 경우, 주황선은 OPA 수신기를 사용한 경우, 파란선은 PC 수신기를 사용한 경우이며, 검은 선은 체르노프 한계(Chernoff Bound)로부터 구한 최적화된 고전 조명의 경우이다.
본 그래프에서 신호의 평균 광자 수는 0.001, 열적 잡음의 평균 광자 수는 30, 사용한 신호의 모드 수는 109개이다.
본 그래프에서 목표물의 반사율이 대략 1.3×10-4 보다 크다면 제곱 호모다인 측정을 이용하는 경우의 구분 SNR이 가장 좋은 것을 확인할 수 있으며, 목표물의 반사율이 1.7×10-4 보다 큰 경우에는 오직 제곱 호모다인 측정을 이용한 양자 조명만이 고전 조명의 한계 구분 SNR보다 높은 구분 SNR을 가진다는 것을 확인할 수 있다.
도 10은 양자 조명의 수신기에 따른 목표뮬의 반사율과 구분 신호 대 잡음비 관계의 확대 그래프이다.
도 10을 참조하면, 도 9에서 설명한 구분 SNR을 기반으로 목표물의 반사율 값에 따른 분석한 수신기들 중 최고 효율 수신기를 제공한 것이다.
일반적으로 양자 조명 연구에서는 반사율 1%이하의 저 반사체를 가정하는데, 이 경우 제곱 호모다인 측정이 최고 효율을 갖는 반사율 구간이 가장 넓은 것을 알 수 있다.
도 9와, 도 10에서 설명한 두 SNR 비교를 통해, 제곱 호모다인 측정이 기존 제시된 수신기들과 비교했을 때 더 선명한 신호를 얻을 수 있을 뿐 아니라 목표물의 존재 여부를 더 정확하게 판별할 수 있는 것을 확인할 수 있으며, 이는 표 1을 통해 정리되어 있다.
[표 1]
도 11은 실험으로 획득한 이중 모드 진공 압축 상태의 각 모드의 광자 수에 대한 2차 상관 관계 그래프이다.
도 11을 참조하면, 이중 모드 진공 압축 상태를 실험적으로 구현하였을 때 얻을 수 있는 광자 수에 대한 두 모드의 2차 상관관계 그래프이다.
2차 상관 관계는 다음과 같은 식 7로부터 구해진다.
여기서, 
은 광자 수 연산자를 나타내며, 밑의 S, I는 각각 시그널, 아이들러 모드를 나타낸다.
양자적인 상관 관계가 없다면, 2차 상관 관계는 최대 1의 값을 갖는다.
도 11에서는 2차 상관 관계 값이 1을 넘어, 양자적인 상관 관계가 존재한다는 것을 확인할 수 있다.
이중 모드 진공 압축 상태의 각 모드의 파장은 810㎚, 모드별 평균 광자 수는 3×10-5 개이다.
해당 광원에서 얻은 데이터를 이용하여, 각 측정 방법에 따른 측정값을 후술하는 도 12와 같이 시뮬레이션 하였다.
도 12는 양자 광원의 실험값을 이용한 양자 조명의 각 측정 방법의 측정값 시뮬레이션 비교 그래프로, (a)는 제곱 호모다인 측정 이용 수신기이고, (b) OPA 수신기이며, (c) PC 수신기이고, (d) 호모다인 측정을 이용한 고전 조명인 그래프이다.
도 12를 참조하면, 시뮬레이션에서 측정에 대해서는 측정 효율이 1인 완벽한 측정을 가정하였으며, 열적 잡음의 평균 광자 수는 30, 열적 잡음 평균 광자수의 표준편차는 0.001(온도 변화 약 10K)을 가정하였다.
500번째 시행까지는 물체가 존재하지 않는 경우(H0), 501번째 시행부터는 반사율 0.1%인 물체가 존재하는 경우(H1)의 측정값을 나타낸다.
검은 가로선은 판단 기준 T를 나타내며, 기준 값보다 위인 경우 H1로, 기준 값보다 아래인 경우 H0로 판단한다.
제곱 호모다인 측정의 경우 그래프의 일관성을 위해 앞서 정의된 
에 대해 다음과 같은 데이터 프로세싱을 행한 값이다.
타 측정들과 마찬가지로 물체가 없을 때에는 0의 측정값을 주고, 물체가 있는 경우 0이 아닌 측정값을 얻도록 만들어 비교하였다.
도 12의 (a)는 제곱 호모다인 측정을 이용한 경우를 나타낸다.
반사율 0.1%인 경우에 대해서 목표물이 있는 경우와 없는 경우의 측정값 차는 0.6이며 오류율이 0인 것을 확인할 수 있다.
도 12의 (b)는 OPA 수신기를 이용한 경우를 나타내며, 신호의 광자 수와 열적 잡음의 평균 광자 수 변동으로 인하여 제대로 된 측정이 불가능한 것을 알 수 있다.
도 12의 (c)는 PC 수신기를 이용한 경우를 나타내며, 목표물이 있는 경우와 없는 경우에 대해 평균적으로 0.0003정도의 측정값 차이를 갖는다.
또한 500번째 이후 시행에서도 기준 값 아래로 측정되는 경우, 즉 오류가 일어나는 경우가 생기는 것을 확인할 수 있다.
도 12의 (d)는 고전 조명에서 호모다인 측정을 이용한 경우이다.
호모다인 측정을 이용하는 것이 점근적으로 최적 효율을 갖는다고 알려져 있다.
목표물이 있는 경우와 없는 경우의 측정값 차는 약 0.0002 ~ 0.0003 정도이며, 목표물이 있는 경우에도 기준 값 아래 찍혀 오류가 생기는 것을 확인할 수 있다.
상기 시뮬레이션에서 제곱 호모다인 측정을 이용한 경우에 H0와 H1인 경우의 측정값 차가 가장 커서 구분이 가장 명확할 뿐 아니라, 다른 측정과 비교했을 때 광량 측정기의 해상도가 낮은 경우에도 정확한 구분이 가능하다.
또한, 오류율이 가장 낮기 때문에 제곱 호모다인 측정을 이용한 양자 수신기가 양자 조명에 가장 적합하다고 말할 수 있다.
본 발명을 통해 양자 조명에서 제곱 호모다인 측정 방법을 사용한 양자 수신기를 제공한다.
이론적 분석을 통하여 제안한 발명이 기존에 존재하는 양자 수신기보다 실험 구성이 용이하고, 효율이 좋은 것을 보였다.
마지막으로 실험 데이터를 기반으로 한 시뮬레이션을 통해 다른 양자 수신기보다 높은 효율성을 가짐을 보였다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 연속 변수(Continuous Variable)을 사용하는 양자 정보 프로세싱에서 사용되는 호모다인 측정(Homodyne Detection)과 데이터 프로세싱을 이용한 제곱 호모다인 측정(Square of Homodyne Detection)을 이용한 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기 및 그 측정 방법을 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 양자 수신기는 비선형 광학 기기가 포함되어 있지 않기 때문에, 실험의 구성이 용이할 뿐 아니라 효율이 향상될 수 있는 효과가 있다.
이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시 예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시 예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.
또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.
1 : 광원
2 : 목표물
3 : 보존부
4 : 광량 측정기
10 : 광원
20 : 국부 발진기
30 : 50:50 빔 가르개
40, 50 : 광량 측정기
100 : 광원
200 : 목표물
300 : 보존부
400 : 50:50 빔 가르개
500, 600 : 광량 측정기
2 : 목표물
3 : 보존부
4 : 광량 측정기
10 : 광원
20 : 국부 발진기
30 : 50:50 빔 가르개
40, 50 : 광량 측정기
100 : 광원
200 : 목표물
300 : 보존부
400 : 50:50 빔 가르개
500, 600 : 광량 측정기
Claims (17)
- 입력단으로 들어오는 신호를 섞는 제 1 50:50 빔 가르개; 및
상기 제 1 50:50 빔 가르개의 2개의 출력단으로 각각 출력되는 광량을 측정하는 2개의 광량 측정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기.
- 제 1 항에 있어서,
2개의 출력단 중 하나인 제 1 출력단으로 출력되는 광량을 호모다인 측정하는 제 1 광량 측정부; 및
2개의 출력단 중 다른 하나인 제 2 출력단으로 출력되는 광량을 호모다인 측정하는 제 2 광량 측정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기.
- 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 광량 측정부는,
상기 제 1 광량 측정부로 들어오는 광 신호와 제 1 국부 발진기에서 생성된 연속파를 제 2 50:50 빔 가르개에 의해 섞고,
상기 제 2 50:50 빔 가르개의 2개의 출력단으로 각각 출력되는 제 1 광량 차를 측정하는 제 1 호모다인 측정을 수행하는 것을 특징으로 하는,
양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기.
- 제 3 항에 있어서,
상기 제 2 광량 측정부는,
상기 제 2 광량 측정부로 들어오는 광 신호와 제 2 국부 발진기에서 생성된 연속파를 제 3 50:50 빔 가르개에 의해 섞고,
상기 제 3 50:50 빔 가르개의 2개의 출력단으로 각각 출력되는 제 2 광량 차를 측정하는 제 2 호모다인 측정을 수행하는 것을 특징으로 하는,
양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기.
- 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 국부 발진기와, 상기 제 2 국부 발진기의 위상차는 Π/2인 것을 특징으로 하는,
양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기.
- 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 호모다인 측정의 측정값과, 상기 제 2 호모다인 측정의 측정값을 각각 제곱하여 더하여 제곱 호모다인 측정값을 생성하는 것을 특징으로 하는,
양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기.
- 제 6 항에 있어서,
상기 제곱 호모다인 측정값을 이용하여 목표물의 유무를 판별하는 것을 특징으로 하는,
양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기.
- 제 7 항에 있어서,
상기 제곱 호모다인 측정값이 미리 정해진 기준치보다 클 경우 상기 목표물이 없는 것으로 판단하고,
상기 제곱 호모다인 측정값이 미리 정해진 기준치보다 작을 경우 상기 목표물이 있는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는,
양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기.
- 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 호모다인 측정은 상기 제 1 광량 측정부로 들어오는 광 신호의 위치를 측정하고,
상기 제 2 호모다인 측정은 상기 제 2 광량 측정부로 들어오는 광 신호의 운동량을 측정하는 것을 특징으로 하는,
양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 50:50 빔 가르개로 들어가는 신호는,
양자 조명인 광원에서 생성된 한 쌍의 양자 상태인 시그널과 아이들러이며,
상기 시그널과 상기 아이들러는 얽힌 상태인 것을 특징으로 하는,
양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기.
- 제 10 항에 있어서,
상기 광원에서 생성된 상기 시그널은 목표물로 보내진 후 반사되어 상기 제 1 50:50 빔 가르개로 들어가는 양자 상태의 신호인 것을 특징으로 하는,
양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기.
- 제 11 항에 있어서,
상기 광원에서 생성된 상기 아이들러는 보존되어 반사되어 돌아온 상기 시그널과 동시에 상기 제 1 50:50 빔 가르개로 들어가는 양자 상태의 신호인 것을 특징으로 하는,
양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기.
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기를 이용한 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 방법에 있어서,
양자 조명인 광원에서 생성된 신호 중 목표물로부터 반사된 시그널 신호와 보존부에서 보존된 아이들러 신호를 50:50 빔 가르개를 이용하여 섞는 제 1 단계;
상기 50:50 빔 가르개의 2개의 출력단에서 출력되는 각각의 광량을 각각 호모다인 측정하는 제 2 단계;
호모다인 측정에 의해 획득한 각각의 호모다인 측정값을 제곱하여 더한 값을 상기 양자 수신기의 측정값으로 판단하는 제 3 단계; 및
상기 양자 수신기의 측정값과 하기 식 3의 T를 비교하는 제 4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 방법.
[식 3]
- 여기서,는 X 연산자의 기대값을 나타내며,
는 X 연산자의 분산을 나타냄 -
- 제 13 항에 있어서,
상기 제 2 단계에서,
상기 2개의 출력단 중 하나의 출력단은 상기 시그널 신호와 동일 방향이고,
상기 2개의 출력단 중 다른 하나의 출력단은 상기 아이들러 신호와 동일 방향인 것을 특징으로 하는,
양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 방법.
- 제 14 항에 있어서,
상기 하나의 출력단에서 측정되는 호모다인 측정값은 상기 시그널 신호의 위치 측정값이고,
상기 다른 하나의 출력단에서 측정되는 호모다인 측정값은 상기 아이들러 신호의 운동량 측정값인 것을 특징으로 하는,
양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 방법.
- 제 13 항에 있어서,
상기 양자 수신기의 측정값이 상기 식 3의 T보다 클 경우 목표물이 없는 것으로 판단하고,
상기 양자 수신기의 측정값이 상기 식 3의 T보다 작을 경우 목표물이 있는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는,
양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 방법.
- 한 쌍의 양자 상태인 시그널과 아이들러를 생성하는 양자 조명인 광원;
상기 광원으로부터 생성된 시그널을 반사시키는 목표물;
상기 광원으로부터 생성된 아이들러를 보존하는 보존부;
상기 목표물로부터 반사된 시그널과, 보존된 상기 아이들러를 입력단으로부터 받아 섞는 50:50 빔 가르개; 및
상기 50:50 빔 가르개의 제 1 출력단 및 제 2 출력단으로부터 출력되는 각각의 광량을 호모다인 측정하는 제 1 광량 측정부 및 제 2 광량 측정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200095698A KR102379179B1 (ko) | 2020-07-31 | 2020-07-31 | 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기 및 그 측정 방법 |
| US18/002,240 US20230314606A1 (en) | 2020-07-31 | 2021-07-13 | Quantum receiver using square of homodyne detection for target detection of quantum radar and measurement method therefor |
| PCT/KR2021/009000 WO2022025484A1 (ko) | 2020-07-31 | 2021-07-13 | 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기 및 그 측정 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200095698A KR102379179B1 (ko) | 2020-07-31 | 2020-07-31 | 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기 및 그 측정 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20220015561A true KR20220015561A (ko) | 2022-02-08 |
| KR102379179B1 KR102379179B1 (ko) | 2022-03-25 |
Family
ID=80035695
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020200095698A KR102379179B1 (ko) | 2020-07-31 | 2020-07-31 | 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기 및 그 측정 방법 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20230314606A1 (ko) |
| KR (1) | KR102379179B1 (ko) |
| WO (1) | WO2022025484A1 (ko) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060083376A1 (en) * | 2004-10-07 | 2006-04-20 | Sony Corporation | Quantum cryptography communication method, quantum cryptography communication apparatus, and quantum cryptography communication system |
| KR20170056570A (ko) * | 2014-08-25 | 2017-05-23 | 유니스 테크놀로지스, 인코퍼레이티드 | 지연된 스캐닝된 방향성 반사기를 사용한 실내 위치 측위 |
| KR101833956B1 (ko) * | 2017-05-19 | 2018-03-02 | 한국과학기술원 | 연속 변수 양자 암호 키분배 위상 보정 시스템 |
| KR20190113820A (ko) * | 2017-02-08 | 2019-10-08 | 트리나미엑스 게엠베하 | 적어도 하나의 대상체의 광학적 검출을 위한 검출기 |
| KR102031966B1 (ko) | 2017-04-27 | 2019-10-15 | 한국과학기술원 | 수신기에서 광자 추출에 기반한 양자 암호 키 분배 방법 및 장치 |
| KR102038862B1 (ko) * | 2018-05-04 | 2019-10-31 | 한국표준과학연구원 | 단일 펄스 레이저를 이용한 검출기 양자효율 측정 장치 및 방법 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7006635B2 (en) * | 2000-08-31 | 2006-02-28 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Method and apparatus for clock synchronization using quantum mechanical non-locality effects |
| US7038188B2 (en) * | 2003-04-11 | 2006-05-02 | Hewlett-Packard Development Company, Lp. | Non-demolition photon detector that preserves input state characteristics |
| JP5041256B2 (ja) * | 2007-08-18 | 2012-10-03 | 学校法人 学習院 | 量子エンタングルメント生成装置及び方法並びに量子エンタングルメント生成検出装置及び方法 |
| US9791567B2 (en) * | 2015-01-20 | 2017-10-17 | Raytheon Bbn Technologies Corp. | System and method for authenticated interrogation of a target with quantum entanglement |
-
2020
- 2020-07-31 KR KR1020200095698A patent/KR102379179B1/ko active IP Right Grant
-
2021
- 2021-07-13 US US18/002,240 patent/US20230314606A1/en active Pending
- 2021-07-13 WO PCT/KR2021/009000 patent/WO2022025484A1/ko active Application Filing
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060083376A1 (en) * | 2004-10-07 | 2006-04-20 | Sony Corporation | Quantum cryptography communication method, quantum cryptography communication apparatus, and quantum cryptography communication system |
| KR20170056570A (ko) * | 2014-08-25 | 2017-05-23 | 유니스 테크놀로지스, 인코퍼레이티드 | 지연된 스캐닝된 방향성 반사기를 사용한 실내 위치 측위 |
| KR20190113820A (ko) * | 2017-02-08 | 2019-10-08 | 트리나미엑스 게엠베하 | 적어도 하나의 대상체의 광학적 검출을 위한 검출기 |
| KR102031966B1 (ko) | 2017-04-27 | 2019-10-15 | 한국과학기술원 | 수신기에서 광자 추출에 기반한 양자 암호 키 분배 방법 및 장치 |
| KR101833956B1 (ko) * | 2017-05-19 | 2018-03-02 | 한국과학기술원 | 연속 변수 양자 암호 키분배 위상 보정 시스템 |
| KR102038862B1 (ko) * | 2018-05-04 | 2019-10-31 | 한국표준과학연구원 | 단일 펄스 레이저를 이용한 검출기 양자효율 측정 장치 및 방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2022025484A1 (ko) | 2022-02-03 |
| KR102379179B1 (ko) | 2022-03-25 |
| US20230314606A1 (en) | 2023-10-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Rarity et al. | Fourth-order interference in parametric downconversion | |
| US8761606B2 (en) | Systems and methods for quantum illumination detection for optical communications and target detection | |
| CN107389106A (zh) | 一种φ‑OTDR正交相位解调系统及相位解调方法 | |
| CN108534686B (zh) | 一种无零漂外差式激光多普勒测量光纤光路及测量方法 | |
| Shapiro | Target-reflectivity theory for coherent laser radars | |
| CN109212551B (zh) | 一种无速度上限可辨向的光纤多普勒测速仪及其测速方法 | |
| WO2016010528A1 (en) | Ultra-compact wavelength meter | |
| CN111678584A (zh) | 一种带光源频移校准辅助通道的光纤振动测量装置及方法 | |
| CN110207822B (zh) | 高灵敏度光学时延估计系统、方法及介质 | |
| JP3875160B2 (ja) | 量子干渉を利用した光特性測定装置、方法、プログラムおよび該プログラムを記録した記録媒体 | |
| KR102379179B1 (ko) | 양자 레이더의 목표물 검출을 위한 제곱 호모다인 측정 이용 양자 수신기 및 그 측정 방법 | |
| Lipfert et al. | Homodyne detection with on-off detector systems | |
| Torromé et al. | Advances in quantum radar and quantum LiDAR | |
| CN113465722B (zh) | 一种低成本测振系统及振动测量方法 | |
| JPWO2018216349A1 (ja) | 物体検出装置、および物体検出方法、並びにプログラム | |
| Kuniyil et al. | Noise-tolerant object detection and ranging using quantum correlations | |
| EP2738958A1 (en) | Angular resolution of images using photons having non-classical states | |
| JP5641178B2 (ja) | 光リフレクトメトリ測定方法及び光リフレクトメトリ測定装置 | |
| Zhu et al. | Quantum parametric mode sorting: a case study on small angle scattering | |
| CN107121071B (zh) | 二维位移测量装置及测量方法 | |
| Blakely | Quantum illumination with a parametrically amplified idler | |
| CN106054206B (zh) | 基于量子平衡零差探测目标方位角测量系统及方法 | |
| Saavedra et al. | Full Optical Fiber Link Characterization With the BSS-Lasso | |
| Yin et al. | Measured uncertainty analysis of detection efficiency of single photon detectors with correlated photons calibration | |
| CN110006356A (zh) | 基于ss-oct间距测量系统中的实时标定装置和方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |