KR20220040053A - 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템 및 생성 방법 - Google Patents

원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템 및 생성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 기존의 편광 얽힘을 생성하기 위한 사냑 간섭계에서 원자 앙상블에서 상관 관계를 가지는 광자쌍 생성 방향의 기하학적(Geometric) 특성을 이용하여 주파수 간격 얽힘도 있는 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템 및 생성 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템은, 레이저; 상기 레이저로부터 제공되는 광을 나누는 50:50 빔 가르개; 상기 50:50 빔 가르개의 제 1 출력단으로 출력되는 광을 수직 편광으로 제공하는 제 1 편광 빔 분할기; 상기 50:50 빔 가르개의 제 2 출력단으로 출력되는 광을 반사시키는 제 1 거울; 및 상기 제 1 거울에 의해 반사된 광을 수직 편광으로 제공하는 제 2 편광 빔 분할기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템 및 생성 방법{SYSTEM AND METHOD FOR GENERATING DUAL ENTANGLEMENTS OF FREQUENCY BIN ENTANGLEMENT AND POLARIZATION ENTANGLEMENT IN ATOMIC ENSEMBLE}
본 발명은 광자쌍 생성 시스템 및 생성 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍의 생성 시스템 및 생성 방법에 관한 것이다.
양자 역학의 중첩(Superposition)과 얽힘(Entanglement)의 원리를 이용한 양자 기술들은 통신(Communication), 센서(Sensor), 컴퓨터(Computer), 계측(Metrology), 이미지(Image) 등과 같은 기술 분야에서 고전적 한계를 뛰어넘는 안정성, 정밀성, 효율성 등을 가지고 있음이 이론적으로 증명되었고, 이를 실험적으로 구현하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.
양자 기술은 광자(Photon), 전자(Electron), 중성 원자(Neutral Atoms), 포획 이온(Trapped Ion) 등 각기 장단점을 가지는 다양한 플랫폼(Platform)을 이용하여 세계 각지에서 연구 중에 있다.
이들 중 빛 알갱이인 광자를 이용한 양자 광학 기술은 빠른 전송 속도, 외부 환경과의 적은 상호 작용, 광자 하나 상태 조작을 위한 선형 광학 기기(Linear Optics)의 보편화, 여러 자유도의 얽힘 생성 가능성 등의 장점으로 인해 활발히 연구되고 있다.
일반적인 광자를 이용한 양자 연구는 비선형 결정에 강한 펌프광(Pump Field)을 가하여 비선형 2차 감쇄율 χ의 자발 매개 하향 변환(Spontaneous Parametric Down Conversion; SPDC) 과정으로 생성된 시그널 광자(Signal Photon)와 아이들러 광자(Idler Photon)를 이용하여 이루어진다.
여기서 두 광자쌍은 한쪽에 광자가 측정되면 다른 한쪽에 광자가 높은 확률로 측정되는, 즉 존재하는 비고전적인 상관관계(Nonclassical Correlation)를 가지고 있다.
여기서 한쪽 광자를 트리거(Trigger) 함으로써 다른 한쪽을 단일 광자(Single Photon)로 취급할 수 있는 예고된 단일 광자(Heralded Single Photon)를 구현할 수 있고, 광자 소스를 중심으로 광학 기기들을 구성하여 다양한 차원(Multi Dimension)의 얽힘 광자쌍(Entangled Photon Pairs)을 구현할 수 있다.
하지만 비선형 결정에서 생성된 광자쌍은 주파수 도메인에서 테라 헤르츠(THz ~ 1012 Hz) 정도의 넓은 주파수 선폭(Frequency Bandwidth)을 가지기 때문에 크게 두 가지의 한계점을 가진다.
먼저, 광자로 구성된 양자 정보의 전달과 양자 얽힘의 확장을 위해 독립적인 두 소스에서 생성된 광자들이 선형 광학기기인 50:50 빔 분할기(Beam Splitter)에서 만난 후 동시 측정(Coincidence Measurement)을 하였을 때 양자 간섭(Quantum Interference) 현상 측정이 필수적이지만, 넓은 주파수 선폭으로 간섭 필터(Interference Filter)를 이용하여 주파수 시간 얽힘(Frequency Time Entanglement)을 제거하지 않으면 양자 간섭 가시도(Visibility)가 고전적인 한계를 넘지 못한다.
두 번째로, 확률적으로 생성되는 독립적인 소스의 광자들로부터 효율적인 양자 간섭을 구현하기 위한 양자 메모리(Quantum Memory)에 적용시키는 것이 어렵다.
높은 효율과 저장 시간을 가지는 일반적인 양자 메모리는 원자 앙상블(Atomic Ensemble)로 구성되어 있고, 이 양자 메모리의 주파수 대역폭은 대략 메가 헤르츠(MHz ~ 106 Hz)에서 기가 헤르츠(GHz ~ 109 Hz) 정도이다.
비선형 결정에서 생성된 단일 광자와 원자 기반의 양자 메모리의 주파수 선폭 어긋남(Frequency Bandwidth Mismatching)에 의해 효율적인 양자 간섭을 위한 양자 메모리의 사용에 한계가 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 원자 앙상블에서 비선형 3차 감쇄율 χ의 자발 사광파 조화(Spontaneous FourWave Mixing; SFWM) 현상으로 비고전적인 광자쌍 생성 연구가 개발되어 활발히 연구되고 있다.
효율적인 원자 앙상블 기반의 양자 메모리에 접합한 단일 광자를 생성하기 위해 동일한 원자 앙상블에서 광자쌍을 생성하는 것이다.
이러한 광자는 광자 주파수 대역폭이 메가 헤르츠에서 기가 헤르츠 정도를 가진다.
그러므로 독립적인 소스에서 생성된 광자들의 양자 간섭에서 주파수 시간 얽힘을 제거하지 않고 비고전적인 가시도를 가진다.
그리고 원자 앙상블 기반의 양자 메모리의 주파수 선폭에 잘 맞아 양자 메모리를 활용한 효율적인 양자 연구를 가능하게 한다.
따라서, 효율적인 원자 앙상블 기반의 양자 메모리에 접합한 단일 광자를 생성하기 위해 동일한 원자 앙상블에서 광자쌍을 생성하는 것이 요구되고 있다.
한국 공개특허공보 제10-2009-0046516호
상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 기존의 편광 얽힘을 생성하기 위한 사냑 간섭계에서 원자 앙상블에서 상관 관계를 가지는 광자쌍 생성 방향의 기하학적(Geometric) 특성을 이용하여 주파수 간격 얽힘도 있는 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템 및 생성 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 광자쌍이 양자 메모리에 적용될 수 있는 주파수 선폭을 가지며, 양자 조명이나 양자 탐지에 광자쌍의 시간적인 비고전적 상관 관계뿐만 아니라 편광과 주파수 간격의 얽힘을 이용하여 양자적 현상을 측정함으로써 외부 잡음(Noise)에 대한 분별에 대한 기준(Reference)을 제공하며, 이를 이용한 높은 신호 대비 잡음비(Signal To Noise Ratio)로 측정이 가능한 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템 및 생성 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템은, 레이저; 상기 레이저로부터 제공되는 광을 나누는 50:50 빔 가르개; 상기 50:50 빔 가르개의 제 1 출력단으로 출력되는 광을 수직 편광으로 제공하는 제 1 편광 빔 분할기; 상기 50:50 빔 가르개의 제 2 출력단으로 출력되는 광을 반사시키는 제 1 거울; 및 상기 제 1 거울에 의해 반사된 광을 수직 편광으로 제공하는 제 2 편광 빔 분할기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템에서, 상기 제 1 편광 빔 분할기 및 상기 제 2 편광 빔 분할기에 의해 수직 편광으로 제공되는 광을 서로 반대 방향으로 겹치게 인가시키고, 위상 접합 조건이 만족되도록 서로 반대 방향으로 제 1 광자 및 제 2 광자를 각각 생성하는 원자 앙상블;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템에서, 상기 원자 앙상블은 자발 사광파 조화(Spontaneous Four-Wave Mixing; SFWM) 방법에 의해 광자쌍을 생성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템에서, 상기 원자 앙상블로부터 일방향으로 생성된 상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자 중 상기 제 1 광자만을 투과시키는 제 1 필터부; 및 상기 원자 앙상블로부터 타방향으로 생성된 상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자 중 상기 제 2 광자만을 투과시키는 제 2 필터부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템에서, 상기 제 1 필터부는 상기 원자 앙상블로부터 생성된 상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자를 평행하게 만드는 제 1 렌즈; 및 상기 제 1 렌즈로부터 평행하게 입력되는 상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자 중 상기 제 1 광자만을 투과시키는 제 1 필터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템에서, 상기 제 2 필터부는 상기 원자 앙상블로부터 생성된 상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자를 평행하게 만드는 제 2 렌즈; 및 상기 제 2 렌즈로부터 평행하게 입력되는 상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자 중 상기 제 2 광자만을 투과시키는 제 2 필터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템에서, 상기 제 1 필터는 상기 제 2 광자를 흡수시키고 상기 제 1 광자만을 투과시키는 원자 앙상블 필터이거나 또는 상기 제 2 광자를 반사시키고 상기 제 1 광자만을 투과시키는 패브리-페로 간섭(Fabry-Perot Interferometer)을 이용한 공진 필터(Cavity Filter)이며, 상기 제 2 필터는 상기 제 1 광자를 반사시키고 상기 제 2 광자만을 투과시키는 패브리-페로 간섭(Fabry-Perot Interferometer)을 이용한 공진 필터(Cavity Filter)인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템에서, 상기 원자 앙상블로부터 일방향으로 생성되어 제 2 거울에 반사된 상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자 중 상기 제 1 광자만을 투과시키는 제 1 필터부; 및 상기 원자 앙상블로부터 타방향으로 생성되어 제 3 거울에 반사된 상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자 중 상기 제 2 광자만을 투과시키는 제 2 필터부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템에서, 상기 제 1 필터부를 통과한 상기 제 1 광자가 통과시 수직 편광으로 바꾸는 반파장 위상 지연판; 상기 반파장 위상 지연판에 의해 수직 편광으로 바뀐 상기 제 1 광자를 하부에서 반사시키고, 상기 제 2 필터부를 통과한 상기 제 2 광자를 상부에서 투과시키는 제 3 편광 빔 분할기;를 더 포함하며, 상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자는 상기 원자 앙상블로 제공되는 광을 축으로 각각 180°+ θ 및 θ나 또는 θ 및 180°+ θ 각도로 생성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템에서, 상기 제 1 필터부를 통과한 상기 제 1 광자가 통과시 수직 편광으로 바꾸는 반파장 위상 지연판; 상기 반파장 위상 지연판에 의해 수직 편광으로 바뀐 상기 제 1 광자를 상부에서 반사시키고, 상기 제 2 필터부를 통과한 상기 제 2 광자를 하부에서 투과시키는 제 3 편광 빔 분할기;를 더 포함하며, 상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자는 상기 원자 앙상블로 제공되는 광을 축으로 각각 180°- θ 및 -θ나 또는 -θ 및 180°- θ 각도로 생성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템에서, 상기 제 1 필터부를 통과한 상기 제 1 광자가 통과시 수직 편광으로 바꾸는 반파장 위상 지연판; 상기 반파장 위상 지연판에 의해 수직 편광으로 바뀐 상기 제 1 광자를 상부에서 반사시키고, 상기 제 2 필터부를 통과한 상기 제 2 광자를 상부에서 투과시키는 제 3 편광 빔 분할기;를 더 포함하며, 상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자는 상기 원자 앙상블로 제공되는 광을 축으로 각각 180°- θ 및 θ나 또는 θ 및 180°- θ 각도로 생성되며, 상기 제 3 편광 빔 분할기를 통과한 상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자는 오버랩(Overlap)되어 측정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템에서, 상기 제 1 필터부를 통과한 상기 제 1 광자가 통과시 수직 편광으로 바꾸는 반파장 위상 지연판; 상기 반파장 위상 지연판에 의해 수직 편광으로 바뀐 상기 제 1 광자를 하부에서 반사시키고, 상기 제 2 필터부를 통과한 상기 제 2 광자를 하부에서 투과시키는 제 3 편광 빔 분할기;를 더 포함하며, 상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자는 상기 원자 앙상블로 제공되는 광을 축으로 각각 180° + θ 및 -θ나 또는 -θ 및 180° + θ 각도로 생성되며, 상기 제 3 편광 빔 분할기를 통과한 상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자는 오버랩(Overlap)되어 측정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템에서, 상기 제 1 편광 빔 분할기 및 상기 제 2 편광 빔 분할기에 의해 수직 편광으로 제공되는 광을 서로 반대 방향으로 겹치게 인가시키고, 위상 접합 조건이 만족되도록 서로 반대 방향으로 복수의 제 1 광자 및 복수의 제 2 광자를 각각 생성하는 원자 앙상블;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템에서, 상기 원자 앙상블로부터 일방향으로 생성된 복수의 제 1 광자 및 복수의 제 2 광자 중 복수의 제 1 광자만을 투과시키는 제 1 필터부; 및 상기 원자 앙상블로부터 타방향으로 생성된 복수의 제 1 광자 및 복수의 제 2 광자 중 복수의 제 2 광자만을 투과시키는 제 2 필터부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템에서, 상기 제 1 필터부를 통과한 복수의 제 1 광자가 통과시 수직 편광으로 바꾸는 반파장 위상 지연판; 상기 반파장 위상 지연판에 의해 수직 편광으로 바뀐 복수의 제 1 광자 중 하나는 상부에서 반사시키고, 복수의 제 1 광자 중 다른 하나는 하부에서 반사시키며, 상기 제 2 필터부를 통과한 복수의 제 2 광자 중 하나는 상부에서 투과시키고, 복수의 제 2 광자 중 다른 하나는 하부에서 투과시키는 제 3 편광 빔 분할기;를 더 포함하며, 상기 제 3 편광 빔 분할기에 의해 상부에서 반사되는 제 1 광자와 상부에서 투과되는 제 2 광자가 제 1 오버랩(Overlap)되어 측정되고, 상기 제 3 편광 빔 분할기에 의해 하부에서 반사되는 제 1 광자와 하부에서 투과되는 제 2 광자가 제 2 오버랩(Overlap)되어 측정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템에서, 상기 제 1 오버랩되어 측정되는 제 1 광자 및 제 2 광자를 동시에 투과하도록 하여 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘을 동시에 갖도록 하는 제 1 주파수 얽힘 필터; 및 상기 제 2 오버랩되어 측정되는 제 1 광자 및 제 2 광자를 동시에 투과하도록 하여 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘을 동시에 갖도록 하는 제 2 주파수 얽힘 필터;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템에서, 상기 레이저 및 상기 50:50 빔 가르개 사이에 광 펄스 생성기;를 더 포함하며, 상기 광 펄스 생성기는 상기 레이저로부터 제공되는 광의 세기를 시간적 펄스 형태로 생성하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 방법은, 레이저로부터 제공되는 광을 50:50 빔 가르개에 의해 나누는 제 1 단계; 상기 50:50 빔 가르개의 제 1 출력단으로 출력되는 광을 제 1 편광 빔 분할기에 의해 수직 편광으로 제공하고, 상기 50:50 빔 가르개의 제 2 출력단으로 출력되는 광을 제 1 거울에 반사시킨 후, 상기 제 1 거울에 의해 반사된 광을 제 2 편광 빔 분할기에 의해 수직 편광으로 제공하는 제 2 단계; 상기 제 1 편광 빔 분할기 및 상기 제 2 편광 빔 분할기에 의해 수직 편광으로 제공되는 광을 원자 앙상블에 의해 서로 반대 방향으로 겹치게 인가시키고, 위상 접합 조건이 만족되도록 서로 반대 방향으로 제 1 광자 및 제 2 광자를 각각 생성하는 제 3 단계; 및 상기 원자 앙상블로부터 일방향으로 생성된 상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자 중 상기 제 1 광자만을 제 1 필터부에 의해 투과시키고, 상기 원자 앙상블로부터 타방향으로 생성된 상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자 중 상기 제 2 광자만을 제 2 필터부에 의해 투과시키는 제 4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 방법은, 레이저로부터 제공되는 광을 50:50 빔 가르개에 의해 나누는 제 1 단계; 상기 50:50 빔 가르개의 제 1 출력단으로 출력되는 광을 제 1 편광 빔 분할기에 의해 수직 편광으로 제공하고, 상기 50:50 빔 가르개의 제 2 출력단으로 출력되는 광을 제 1 거울에 반사시킨 후, 상기 제 1 거울에 의해 반사된 광을 제 2 편광 빔 분할기에 의해 수직 편광으로 제공하는 제 2 단계; 상기 제 1 편광 빔 분할기 및 상기 제 2 편광 빔 분할기에 의해 수직 편광으로 제공되는 광을 원자 앙상블에 의해 서로 반대 방향으로 겹치게 인가시키고, 위상 접합 조건이 만족되도록 서로 반대 방향으로 복수의 제 1 광자 및 복수의 제 2 광자를 각각 생성하는 제 3 단계; 및 상기 원자 앙상블로부터 일방향으로 생성된 복수의 제 1 광자 및 복수의 제 2 광자 중 복수의 제 1 광자만을 제 1 필터부에 의해 투과시키고, 상기 원자 앙상블로부터 타방향으로 생성된 복수의 제 1 광자 및 복수의 제 2 광자 중 복수의 제 2 광자만을 제 2 필터부에 의해 투과시키는 제 4 단계;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, 원자 앙상블과 한 레이저를 이용한 단순화된 양자 광원 시스템과 사냑 간섭계라는 위상 안정성이 매우 높은 시스템을 결합하여 다양화된 차원의 얽힘을 추가적으로 생성하여 양자 정보 처리의 효율성을 높일 수 있다.
또한, 빛의 세기가 변화가 없는 펌프광을 이용하여 원자 앙상블에서 생성된 광자쌍의 주파수 선폭은 양자 메모리에 적용 가능한 선폭으로 되어 양자 메모리에 적용 할 수 있는 시스템에 적합성을 높일 수 있다.
또한, 가해주는 펌프광의 빛의 세기를 펄스 형태로 가하여 광원 자체에 양자 메모리가 포함된 형태로 사용할 수 있어 효율적인 양자 정보 처리를 구현할 수 있다.
또한, 사냑 간섭계 양자 광원의 결합에서 광자쌍의 시간적 상관관계와 편광 얽힘과 함께 주파수 얽힘을 동시에 가질 수 있고, 이 방법의 광원을 활용하여 물체를 측정할 때 시간, 편광, 주파수의 세 개의 차원을 활용하여 잡음이 강한 환경에서 신호의 분별 기준이 높아짐으로써, 고전적인 한계를 넘는 높은 신호대비 잡음비를 가지는 양자 레이더를 개발할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 비선형 결정에서 시간적 상관 관계를 가지는 광자쌍 생성 구도를 나타내는 도면.
도 2는 일반적인 원자 앙상블에서 시간적 상관 관계를 가지는 광자쌍 생성 구도를 나타내는 도면.
도 3은 한 개의 레이저와 원자 앙상블을 이용한 단순화된 시간적 상관 관계를 가지는 광자쌍 생성 구도를 나타내는 도면.
도 4a는 빛과 원자의 상호 작용으로 광자쌍을 생성하는 자발 사광파 조화 현상의 에너지 준위 구도를 나타내는 도면.
도 4b는 루비듐 원자 앙상블을 이용할 때, 원자 도플러 스펙트럼 측정 결과에서 사용할 수 있는 광자 1, 2의 에너지와 레이저의 준위를 나타내는 그래프.
도 5는 한 개의 레이저와 원자 앙상블을 이용할 때, 생성되는 시간적 상관 관계를 가지는 광자쌍의 다양한 기하학적 생성 방향의 구도를 나타내는 도면.
도 6은 주파수 간격 얽힘을 위한 제 1 필터 및 제 2 필터를 포함한 광자쌍 생성 구도를 나타내는 도면.
도 7은 렌즈와 주파수 필터를 포함하는 제 1 필터의 구성도.
도 8은 원자의 흡수 전이선을 이용한 투과시켜야 할 제 1 광자와 흡수시켜야 할 제 2 광자 주파수 도메인 구도를 나타내는 그래프.
도 9는 패브리-페로 간섭을 이용한 투과시켜야 할 제 1 광자와 반사시켜야할 제 2 광자 주파수 도메인 구도를 나타내는 그래프
도 10은 렌즈와 주파수 필터를 포함하는 제 2 필터의 구성도.
도 11은 패브리-페로 간섭을 이용한 투과시켜야 할 제 1 광자와 반사 시켜야 할 제 2 광자 주파수 도메인 구도를 나타내는 그래프.
도 12는 원자 앙상블과 사냑 간섭계에서 비고전적 상관관계를 가지는 제 1 광자쌍 구도를 나타내는 도면.
도 13은 원자 앙상블과 사냑 간섭계에서 비고전적 상관관계를 가지는 제 2 광자쌍 구도를 나타내는 도면.
도 14는 도 12 및 도 13에서 측정된 경로를 기준으로 서로 구별 불가능한 제 1 구도를 나타내는 도면.
도 15는 도 12 및 도 13에서 측정하는 경로를 기준으로 서로 구별 불가능한 제 2 구도를 나타내는 도면.
도 16은 강한 레이저 광의 임의의 위치에서 산란된 상관 관계 없는 광자의 측정을 막고 주파수 간격 얽힘을 유지시키기 위한 필터 구도를 나타내는 그래프.
도 17은 발명의 원자 앙상블에서 자발 사광파 조화 현상으로 생성시키는 에너지 시간 얽힘, 편광 얽힘, 주파수 간격 얽힘을 가지는 양자 광원의 전체적인 구도를 나타내는 도면.
도 18은 펌프광을 광 펄스 형태로 양자 메모리가 포함된 편광 얽힘, 주파수 간격 얽힘을 가지는 양자 광원의 전체적인 구도를 나타내는 도면.
도 19는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 방법의 전체 흐름을 나타내는 플로우 차트.
도 20은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 방법의 전체 흐름을 나타내는 플로우 차트.
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.
본 발명은 상술한 바와 같이 얽힘 광자쌍 생성에 관하여 원자 앙상블에 기존의 얽힘 광자쌍 생성 중 주파수 얽힘과 편광 얽힘을 함께 가지는 광자쌍을 생성할 수 있는 시스템 및 방법을 제공한다.
도 1은 일반적인 비선형 결정에서 시간적 상관 관계를 가지는 광자쌍 생성 구도를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 비고전적인 상관관계를 가지는 광자쌍 생성은 비선형 결정(1)에 레이저(2)의 펌프광을 가하여 SPDC 과정으로 생성한다.
여기서, SPDC 과정은 비선형 2차 감쇄율 χ의 자발 매개 하향 변환(Spontaneous Parametric Down Conversion; SPDC) 과정이다.
이 광자(3, 4)들은 동일한 방향으로 생성되며, 식 1과 같이 위상 정합 조건(Phase Matching Condition)에 만족하는 각도로 광자들이 생성된다.
Figure pat00001
(식 1)
도 2는 일반적인 원자 앙상블에서 시간적 상관 관계를 가지는 광자쌍 생성 구도를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 비선형 결정 광자쌍 소스의 주파수 선폭 단점을 보안하기 위한 원자 앙상블(5)에서 비고전적인 상관관계를 가지는 광자쌍 생성의 경우는 두 개의 독립적인 레이저광(2, 6)을 서로 반대방향으로 겹치게 인가시켜 SFWM 현상으로 서로 반대 방향으로의 광자쌍을 생성시킨다.
여기서, SFWM 현상은 원자 앙상블에서 비선형 3차 감쇄율 χ의 자발 사광파 조화(Spontaneous Four-Wave Mixing; SFWM) 현상이다.
여기서 광자쌍은 비선형 결정과 비슷하게 식 2인 위상 정합 조건을 만족시키는 방향으로 생성된다.
Figure pat00002
(식 2)
일반적인 SFWM 현상으로 원자 앙상블(5)에서 생성에 가하는 독립적인 두 레이저(2, 6)는 동일 원자의 들뜬 상태 양자수(Quantum Number) J(= L + S)가 다른 전이선을 이용하여, 파장 차이가 수 나노미터 정도 된다.
이는 생성되는 광자쌍 또한 비슷한 수준의 파장 차이를 가지게 된다.
이러한 원자 앙상블(5)에서 생성된 광자쌍은 광학 기기들의 간섭계(Interferometer)를 이용한 편광 얽힘, 공간 위상 지연판(Phase Plate)이나 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator)를 이용한 빔 공간 모드 얽힘 등 다양한 차원의 얽힘 생성에 대하여 연구되고 있다.
하지만 생성된 광자쌍의 주파수 차이에 의해 주파수 간격 얽힘을 함께 구현하기에 어려움이 있다.
도 3은 한 개의 레이저와 원자 앙상블을 이용한 단순화된 시간적 상관 관계를 가지는 광자쌍 생성 구도를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 레이저(100)와, 50:50 빔 분할기(200)와, 제 1 거울(300)과, 제 1 편광 빔 분할기(400)와, 제 2 편광 빔 분할기(500)와, 원자 앙상블(600)을 포함한다.
여기서, 레이저(100)는 광을 방출하며, 바람직하게는 펌프광을 방출한다.
50:50 빔 분할기(200)는 레이저(100)로부터 제공되는 광을 나누는 역할을 수행한다.
바람직하게는 50:50 빔 가르개(200)는 광을 50:50으로 나눌 수도 있다.
제 1 편광 빔 분할기(400)는 50:50 빔 가르개(200)의 제 1 출력단으로 출력되는 광을 수직 편광으로 제공한다.
제 1 거울(300)은 50:50 빔 가르개(200)의 제 2 출력단으로 출력되는 광을 반사시킨다.
제 2 편광 빔 분할기(500)는 제 1 거울(300)에 의해 반사된 광을 수직 편광으로 제공하는 역할을 수행한다.
원자 앙상블(600)은 제 1 편광 빔 분할기(400) 및 제 2 편광 빔 분할기(500)에 의해 수직 편광으로 제공되는 광을 서로 반대 방향으로 겹치게 인가시키고, 위상 접합 조건이 만족되도록 서로 반대 방향으로 제 1 광자(10) 및 제 2 광자(20)를 각각 생성한다.
여기서, 원자 앙상블(600)은 자발 사광파 조화(Spontaneous Four-Wave Mixing; SFWM) 방법에 의해 제 1 광자(10), 제 2 광자(20)를 생성할 수 있다.
본 발명에서는 도 3에 도시된 바와 같이 한 레이저(100)를 이용하여 50:50 빔 분할기(200)로 빔을 나눈 뒤 각각의 편광 빔 분할기(400, 500)를 통해 수직 편광이 서로 반대 방향으로 원자 앙상블에 작용하여 SFWM 방법으로 상관 관계에 있는 제 1 광자(광자 1: 10)와 제 2 광자(광자 2: 20)를 생성하는 구도이다.
이러한 원자는 최외각 전자가 하나인 알칼리 원자(Alkali Atom)로 루비듐(Rubidium)이나 세슘(Cesium)원자가 될 수 있으며, 열적 운동을 가지는 원자 증기셀(Atomic Vapor Cell)의 상온 원자 시스템(Room-Temperature Atom System)이나 원자를 포획하여 냉각 시킨 차가운 원자 시스템(Cold Atom System)에 적용될 수 있다.
그리고 생성된 광자쌍의 방향은 식 3의 위상 정합 조건과 식 4의 에너지 보존 조건을 만족시키는 방향으로 생성 된다.
Figure pat00003
(식 3)
Figure pat00004
(식 4)
도 4a는 빛과 원자의 상호 작용으로 광자쌍을 생성하는 자발 사광파 조화 현상의 에너지 준위 구도를 나타내는 도면이고, 도 4b는 루비듐 원자 앙상블을 이용할 때, 원자 도플러 스펙트럼 측정 결과에서 사용할 수 있는 광자 1, 2의 에너지와 레이저의 준위를 나타내는 그래프이다.
빛과 원자의 상호 작용은 도 4a에 도시된 바와 같이 람다 형태(Lambda-Type)의 원자 에너지 준위를 사용한다.
람다 형태의 준위는 두 바닥 상태와 한 들뜬 상태를 이용한다.
한 레이저는 |바닥상태2>와, |들뜬상태>에 공명인 주파수(Resonance Frequency)를 인가한다.
그러면 |바닥상태1>, |바닥상태2>와 |들뜬상태>에 이중 람다 형태로 상호 작용하여 제 1 광자(10)와, 제 2 광자(20)의 상관 관계를 가지는 광자쌍을 생성한다.
제 1 광자(10)는 스토크스 광자(Stokes Photon)이며, 가해주는 레이저에 -Δ 만큼 빠진 주파수를 가진다.
제 2 광자(20)는 반스토크스 광자(Anti-Stokes Photon)이며, 가해주는 레이저에 +Δ 만큼 더해진 주파수를 가진다.
생성된 두 광자는 결과적으로 2Δ 만큼의 주파수 차이를 가지는 광자 쌍이 생성된다.
활용의 예로 루비듐 원자 증기셀을 이용한다면 도 4b에 도시된 바와 같이 루비듐 D1 전이선(795 ㎚ 파장) 스펙트럼에서 화살표로 표시한 부분을 활용할 수 있다.
도 5는 한 개의 레이저와 원자 앙상블을 이용할 때, 생성되는 시간적 상관 관계를 가지는 광자쌍의 다양한 기하학적 생성 방향의 구도를 나타내는 도면이고, 도 6은 주파수 간격 얽힘을 위한 제 1 필터 및 제 2 필터를 포함한 광자쌍 생성 구도를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 한 레이저(100)에서 SFWM 과정으로 생성 가능한 상관 관계를 가지는 광자쌍의 기하학적인 생성 방향이 나타나 있다.
이를 주파수 간격과 편광 얽힘을 동시에 가지기 위해서는 도 6에 도시된 바와 같이 제 1 필터(700)와, 제 2 필터(800)가 필요하다.
즉, 도 6을 참조하면, 도 3에 도시된 바와 같이 레이저(100)와, 50:50 빔 분할기(200)와, 제 1 거울(300)과, 제 1 편광 빔 분할기(400)와, 제 2 편광 빔 분할기(500)와, 원자 앙상블(600)을 포함한다.
여기서, 레이저(100)는 광을 방출하며, 바람직하게는 펌프광을 방출한다.
50:50 빔 분할기(200)는 레이저(100)로부터 제공되는 광을 나누는 역할을 수행한다.
바람직하게는 50:50 빔 가르개(200)는 광을 50:50으로 나눌 수도 있다.
제 1 편광 빔 분할기(400)는 50:50 빔 가르개(200)의 제 1 출력단으로 출력되는 광을 수직 편광으로 제공한다.
제 1 거울(300)은 50:50 빔 가르개(200)의 제 2 출력단으로 출력되는 광을 반사시킨다.
제 2 편광 빔 분할기(500)는 제 1 거울(300)에 의해 반사된 광을 수직 편광으로 제공하는 역할을 수행한다.
원자 앙상블(600)은 제 1 편광 빔 분할기(400) 및 제 2 편광 빔 분할기(500)에 의해 수직 편광으로 제공되는 광을 서로 반대 방향으로 겹치게 인가시키고, 위상 접합 조건이 만족되도록 서로 반대 방향으로 제 1 광자(10) 및 제 2 광자(20)를 각각 생성한다.
상술한 바와 같은 구성에, 제 1 필터부(700)와, 제 2 필터부(800)를 더 포함한다.
여기서, 제 1 필터부(700)는 원자 앙상블(600)로부터 일방향으로 생성된 제 1 광자(10) 및 제 2 광자(20) 중 제 1 광자(10)만을 투과킨다.
또한, 제 2 필터부(800)는 원자 앙상블(600)로부터 타방향으로 생성된 제 1 광자(10) 및 제 2 광자(20) 중 제 2 광자(20)만을 투과시킨다.
도 7은 렌즈와 주파수 필터를 포함하는 제 1 필터의 구성도이고, 도 8은 원자의 흡수 전이선을 이용한 투과시켜야 할 제 1 광자와 흡수시켜야 할 제 2 광자 주파수 도메인 구도를 나타내는 그래프이며, 도 9는 패브리-페로 간섭을 이용한 투과시켜야 할 제 1 광자와 반사시켜야할 제 2 광자 주파수 도메인 구도를 나타내는 그래프이다.
우선, 도 7을 참조하면, 제 1 필터부(700)는 제 1 렌즈(710)와, 제 1 필터(720)를 포함한다.
제 1 렌즈(710)는 원자 앙상블(600)로부터 생성된 제 1 광자(10) 및 제 2 광자(20)를 평행하게 만든다.
제 1 필터(720)는 제 1 렌즈(710)로부터 평행하게 입력되는 제 1 광자(10) 및 제 2 광자(20) 중 제 1 광자(10)만을 투과시킨다.
좀 더 상세히 설명하면, 제 1 광자(10)만을 투과시키기 위한 제 1 필터부(700)의 구성을 도 7에 나타내고 있다.
양자 광원 원자 앙상블(600)에서 일정 각도로 생성된 광자쌍을 평행하게 만들어줄 초점거리 f인 제 1 렌즈(710)와 도 8에 도시된 바와 같이 제 2 광자(20)는 흡수시키고, 제 1 광자(10)만을 투과시킬 필터로 동일한 원자 앙상블 필터 또는 도 9에 도시된 바와 같이, 제 2 광자(20)는 반사시키고 제 1 광자(10)만을 투과시키는 패브리-페로 간섭(Fabry-Perot Interferometer)을 이용한 공진 필터(Cavity Filter)가 될 수 있다.
즉, 제 1 필터(720)는 제 2 광자(20)를 흡수시키고 제 1 광자(10)만을 투과시키는 원자 앙상블 필터이거나 또는 제 2 광자(20)를 반사시키고 제 1 광자(10)만을 투과시키는 패브리-페로 간섭을 이용한 공진 필터일 수 있다.
도 10은 렌즈와 주파수 필터를 포함하는 제 2 필터의 구성도이고, 도 11은 패브리-페로 간섭을 이용한 투과시켜야 할 제 1 광자와 반사시켜야 할 제 2 광자 주파수 도메인 구도를 나타내는 그래프이다.
도 10을 참조하면, 제 2 필터부(800)는 제 2 렌즈(810)와, 제 2 필터(820)를 포함한다.
제 2 렌즈(810)는 원자 앙상블(600)로부터 생성된 제 1 광자(10) 및 제 2 광자(20)를 평행하게 만든다.
제 2 필터(820)는 제 2 렌즈(810)로부터 평행하게 입력되는 제 1 광자(10) 및 제 2 광자(20) 중 제 2 광자(20)만을 투과시킨다.
좀 더 상세히 설명하면, 제 2 광자(20)만을 투과시키기 위한 제 2 필터부(800)의 구성을 도 10에 나타내고 있다.
소스 원자 앙상블(600)에서 일정 각도로 생성된 광자쌍을 평행하게 만들어줄 초점거리 f의 제 2 렌즈(810)와 도 11에 도시된 바와 같이 제 1 광자(10)는 반사시키고, 제 2 광자(20)만을 투과시키는 패브리-페로 간섭을 이용한 공진 필터를 사용할 수도 있다.
즉, 제 2 필터(820)는 제 1 광자(10)를 반사시키고 제 2 광자(20)만을 투과시키는 패브리-페로 간섭을 이용한 공진 필터일 수 있다.
도 12는 원자 앙상블과 사냑 간섭계에서 비고전적 상관관계를 가지는 제 1 광자쌍 구도를 나타내는 도면이고, 도 13은 원자 앙상블과 사냑 간섭계에서 비고전적 상관관계를 가지는 제 2 광자쌍 구도를 나타내는 도면이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 레이저(100)와, 50:50 빔 분할기(200)와, 제 1 거울(300)과, 제 1 편광 빔 분할기(400)와, 제 2 편광 빔 분할기(500)와, 원자 앙상블(600)을 포함한다.
여기서, 레이저(100)는 광을 방출하며, 바람직하게는 펌프광을 방출한다.
50:50 빔 분할기(200)는 레이저(100)로부터 제공되는 광을 나누는 역할을 수행한다.
바람직하게는 50:50 빔 가르개(200)는 광을 50:50으로 나눌 수도 있다.
제 1 편광 빔 분할기(400)는 50:50 빔 가르개(200)의 제 1 출력단으로 출력되는 광을 수직 편광으로 제공한다.
제 1 거울(300)은 50:50 빔 가르개(200)의 제 2 출력단으로 출력되는 광을 반사시킨다.
제 2 편광 빔 분할기(500)는 제 1 거울(300)에 의해 반사된 광을 수직 편광으로 제공하는 역할을 수행한다.
원자 앙상블(600)은 제 1 편광 빔 분할기(400) 및 제 2 편광 빔 분할기(500)에 의해 수직 편광으로 제공되는 광을 서로 반대 방향으로 겹치게 인가시키고, 위상 접합 조건이 만족되도록 서로 반대 방향으로 제 1 광자(10) 및 제 2 광자(20)를 각각 생성한다.
또한, 제 1 필터부(700)는 원자 앙상블(600)로부터 일방향으로 생성되어 제 2 거울(310)에 반사된 제 1 광자(10) 및 제 2 광자(20) 중 제 1 광자(10)만을 투과시킨다.
제 2 필터부(800)는 원자 앙상블(600)로부터 타방향으로 생성되어 제 3 거울(320)에 반사된 제 1 광자(10) 및 제 2 광자(20) 중 제 2 광자(20)만을 투과시킨다.
이때, 반파장 위상 지연판(Half-Wave Plate: 900)은 제 1 필터부(700)를 통과한 제 1 광자(10)가 통과시 수평 편광을 수직 편광으로 바꾸는 역할을 수행한다.
이에 의해 도 12에 도시된 바와 같이, 제 3 편광 빔 분할기(1000)는 반파장 위상 지연판(900)에 의해 수직 편광으로 바뀐 제 1 광자(10)를 하부에서 반사시키고, 제 2 필터부(800)를 통과한 제 2 광자(20)를 상부에서 투과시킨다.
이때, 제 1 광자(10) 및 제 2 광자(20)는 원자 앙상블(600)로 제공되는 광을 축으로 각각 180°+ θ 및 θ나 또는 θ 및 180°+ θ 각도로 생성될 수 있다.
한편, 도 12에 도시된 화살표(A)는 수평 편광을 나타내고, 내부에 검은색 원을 포함하는 원(B)은 수직 편광을 나타낸다.
또한, 도 13에 도시된 바와 같이, 제 3 편광 빔 분할기(1000)는 반파장 위상 지연판(900)에 의해 수직 편광으로 바뀐 제 1 광자(10)를 상부에서 반사시키고, 제 2 필터부(800)를 통과한 제 2 광자(20)를 하부에서 투과시킨다.
이때, 제 1 광자(10) 및 제 2 광자(20)는 원자 앙상블(600)로 제공되는 광을 축으로 각각 180°- θ 및 -θ나 또는 -θ 및 180°- θ 각도로 생성될 수 있다.
마찬가지로, 도 13에 도시된 화살표(A)는 수평 편광을 나타내고, 내부에 검은색 원을 포함하는 원(B)은 수직 편광을 나타낸다.
좀 더 상세히 설명하면, 도 12 및 도 13은 사냑 간섭계에서 한 레이저(100)에서 생성된 광자쌍을 기하학적으로 결합하여 두 광자쌍을 구별이 불가능하게 중첩시키는 과정을 나타낸다.
도 12에 도시된 바와 같이, 수평 편광의 제 1 광자(10)와, 제 2 광자(20)에 가해주는 레이저(100)의 광을 축으로 각각 180°+ θ, θ 각도로 생성되어 간섭계의 거울(310, 320)을 맞고 제 3 편광 빔 분할기(1000)로 향한다.
그 중 제 1 광자(10)는 반파장 위상 지연판을 지나 수직 편광으로 바뀌고, 제 3 편광 빔 분할기(1000)의 하부에서 반사되고, 제 2 광자(20)는 제 3 편광 빔 분할기(1000)의 상부에서 투과되어 진행된다.
한편, 구별이 불가능한 동일 확률로 도 13에 도시된 동일한 수평 편광의 제 1 광자(10)와, 제 2 광자(20)가 레이저(100)의 광을 축으로 각각 180°- θ, -θ 각도로 생성되어 간섭계의 거울(310, 320)을 맞고 제 3 편광 빔 분할기(1000)로 향한다.
그 중 제 1 광자(10)는 반파장 위상 지연판(900)을 지나 수직 편광으로 바뀌고 제 3 편광 빔 분할기(1000)의 상부에서 반사되고, 제 2 광자(20)는 제 3 편광 빔 분할기(1000)의 하부에서 투과되어 진행된다.
도 14는 도 12 및 도 13에서 측정된 경로를 기준으로 서로 구별 불가능한 제 1 구도를 나타내는 도면이고, 도 15는 도 12 및 도 13에서 측정하는 경로를 기준으로 서로 구별 불가능한 제 2 구도를 나타내는 도면이다.
도 14를 참조하면, 레이저(100)와, 50:50 빔 분할기(200)와, 제 1 거울(300)과, 제 1 편광 빔 분할기(400)와, 제 2 편광 빔 분할기(500)와, 원자 앙상블(600)을 포함한다.
여기서, 레이저(100)는 광을 방출하며, 바람직하게는 펌프광을 방출한다.
50:50 빔 분할기(200)는 레이저(100)로부터 제공되는 광을 나누는 역할을 수행한다.
바람직하게는 50:50 빔 가르개(200)는 광을 50:50으로 나눌 수도 있다.
제 1 편광 빔 분할기(400)는 50:50 빔 가르개(200)의 제 1 출력단으로 출력되는 광을 수직 편광으로 제공한다.
제 1 거울(300)은 50:50 빔 가르개(200)의 제 2 출력단으로 출력되는 광을 반사시킨다.
제 2 편광 빔 분할기(500)는 제 1 거울(300)에 의해 반사된 광을 수직 편광으로 제공하는 역할을 수행한다.
원자 앙상블(600)은 제 1 편광 빔 분할기(400) 및 제 2 편광 빔 분할기(500)에 의해 수직 편광으로 제공되는 광을 서로 반대 방향으로 겹치게 인가시키고, 위상 접합 조건이 만족되도록 서로 반대 방향으로 제 1 광자(10) 및 제 2 광자(20)를 각각 생성한다.
또한, 제 1 필터부(700)는 원자 앙상블(600)로부터 일방향으로 생성되어 제 2 거울(310)에 반사된 제 1 광자(10) 및 제 2 광자(20) 중 제 1 광자(10)만을 투과시킨다.
제 2 필터부(800)는 원자 앙상블(600)로부터 타방향으로 생성되어 제 3 거울(320)에 반사된 제 1 광자(10) 및 제 2 광자(20) 중 제 2 광자(20)만을 투과시킨다.
제 1 필터부(700)를 통과한 제 1 광자(10)는 반파장 위상 지연판(900)을 통과시 수직 편광으로 바뀌게 된다.
이후, 제 3 편광 빔 분할기(1000)는 반파장 위상 지연판(900)에 의해 수직 편광으로 바뀐 제 1 광자(10)를 상부에서 반사시키고, 제 2 필터부(800)를 통과한 제 2 광자(20)를 상부에서 투과시킨다.
이때, 제 1 광자(10) 및 제 2 광자(20)는 원자 앙상블(600)로 제공되는 광을 축으로 각각 180°- θ 및 θ나 또는 θ 및 180°- θ 각도로 생성된다.
이에 의해, 제 3 편광 빔 분할기(1000)를 통과한 제 1 광자(10) 및 제 2 광자(20)는 오버랩(Overlap)되어 측정된다.
이는 광학적인 중첩을 나타낸다.
한편, 도 14에 도시된 화살표(A)는 수평 편광을 나타내고, 내부에 검은색 원을 포함하는 원(B)은 수직 편광을 나타내며, 도 14에서는 수평 편광과 수직 편광이 오버랩된 것을 나타낸다.
마찬가지로, 도 15를 참조하면, 제 1 필터부(700)를 통과한 제 1 광자(10)는 반파장 위상 지연판(900)을 통과시 수직 편광으로 바뀌게 된다.
이후, 제 3 편광 빔 분할기(1000)는 반파장 위상 지연판(900)에 의해 수직 편광으로 바뀐 제 1 광자(10)를 하부에서 반사시키고, 제 2 필터부(800)를 통과한 제 2 광자(20)를 하부에서 투과시킨다.
이때, 제 1 광자(10) 및 제 2 광자(20)는 원자 앙상블(600)로 제공되는 광을 축으로 각각 180° + θ 및 -θ나 또는 -θ 및 180° + θ 각도로 생성된다.
이에 의해, 제 3 편광 빔 분할기(1000)를 통과한 제 1 광자(10) 및 제 2 광자(20)는 오버랩(Overlap)되어 측정된다.
마찬가지로, 도 15에 도시된 화살표(A)는 수평 편광을 나타내고, 내부에 검은색 원을 포함하는 원(B)은 수직 편광을 나타내며, 도 15에서는 수평 편광과 수직 편광이 오버랩된 것을 나타낸다.
좀 더 상세히 설명하면, 도 14 및 도 15를 참조하면, 제 3 편광 빔 분할기(1000)에서 중첩되는 측정 경로를 기준으로 보았을 때, 제 3 편광 빔 분할기(1000)의 상부(제 1 경로)에서 수직 편광과 주파수 ω광자1을 가지고 위로 생성된 제 1 광자(10)와, 수평 편광과 주파수 ω광자2을 가지고 위로 생성된 제 2 광자(20)가 도 14와 같이 오버랩되어 측정된다.
마찬가지로, 제 3 편광 빔 분할기(1000)의 하부(제 2 경로)에서 수직 편광과 주파수 ω광자1을 가지고 아래로 생성된 제 1 광자(10)와, 수평 편광과 주파수 ω광자2을 가지고 아래로 생성된 제 2 광자(20)가 도 15와 같이 오버랩되어 측정된다.
이는 광학적인 중첩을 나타낸다.
도 16은 강한 레이저 광의 임의의 위치에서 산란된 상관 관계 없는 광자의 측정을 막고 주파수 간격 얽힘을 유지시키기 위한 필터 구도를 나타내는 그래프이다.
도 16과 같은 주파수 얽힘 필터를 이용하여 산란되는 레이저 성분을 제거 시키면서 ω광자1 과 ω광자2 는 투과시킬 수 있다.
상부(제 1 경로)와, 하부(제 2 경로)에서 단일 광자 측정기로 동시 측정(Coincidence Measurement)이 되므로 경로를 기준으로 만들어지는 얽힘 상태를 표현하면 아래와 같다.
Figure pat00005
(식 5)
여기서,
Figure pat00006
는 식 5의 우변에서 첫 번째 항에 대한 두 번째 항의 상대적인 위상(Phase)차이다.
한쪽 경로에 위상 보상판(Compensation Plate)이나 λ/2와 λ/4 위상 지연판을 이용하여 조절할 수 있다.
도 17은 발명의 원자 앙상블에서 자발 사광파 조화 현상으로 생성시키는 에너지 시간 얽힘, 편광 얽힘, 주파수 간격 얽힘을 가지는 양자 광원의 전체적인 구도를 나타내는 도면이다.
도 17을 참조하면, 레이저(100)와, 50:50 빔 분할기(200)와, 제 1 거울(300)과, 제 1 편광 빔 분할기(400)와, 제 2 편광 빔 분할기(500)와, 원자 앙상블(600)을 포함한다.
여기서, 레이저(100)는 광을 방출하며, 바람직하게는 펌프광을 방출한다.
50:50 빔 분할기(200)는 레이저(100)로부터 제공되는 광을 나누는 역할을 수행한다.
바람직하게는 50:50 빔 가르개(200)는 광을 50:50으로 나눌 수도 있다.
제 1 편광 빔 분할기(400)는 50:50 빔 가르개(200)의 제 1 출력단으로 출력되는 광을 수직 편광으로 제공한다.
제 1 거울(300)은 50:50 빔 가르개(200)의 제 2 출력단으로 출력되는 광을 반사시킨다.
제 2 편광 빔 분할기(500)는 제 1 거울(300)에 의해 반사된 광을 수직 편광으로 제공하는 역할을 수행한다.
원자 앙상블(600)은 제 1 편광 빔 분할기(400) 및 제 2 편광 빔 분할기(500)에 의해 수직 편광으로 제공되는 광을 서로 반대 방향으로 겹치게 인가시키고, 위상 접합 조건이 만족되도록 서로 반대 방향으로 복수의 제 1 광자(10) 및 복수의 제 2 광자(20)를 각각 생성한다.
여기서, 제 1 광자(10)는 단수 및 복수 모두를 10번으로 표기하고, 제 2 광자(20)는 단수 및 복수 모두를 20번으로 표기하도록 한다.
또한, 제 1 필터부(700)는 원자 앙상블(600)로부터 일방향으로 생성되어 제 2 거울(310)에 반사된 복수의 제 1 광자(10) 및 복수의 제 2 광자(20) 중 복수의 제 1 광자(10)만을 투과시킨다.
제 2 필터부(800)는 원자 앙상블(600)로부터 타방향으로 생성되어 제 3 거울(320)에 반사된 복수의 제 1 광자(10) 및 복수의 제 2 광자(20) 중 복수의 제 2 광자(20)만을 투과시킨다.
제 1 필터부(700)를 통과한 복수의 제 1 광자(10)는 반파장 위상 지연판(900)을 통과시 수직 편광으로 바뀌게 된다.
이후, 제 3 편광 빔 분할기(1000)는 반파장 위상 지연판(900)에 의해 수직 편광으로 바뀐 복수의 제 1 광자(10) 중 하나는 상부에서 반사시키고, 복수의 제 1 광자(10) 중 다른 하나는 하부에서 반사시키며, 제 2 필터부(800)를 통과한 복수의 제 2 광자(20) 중 하나는 상부에서 투과시키고, 복수의 제 2 광자(20) 중 다른 하나는 하부에서 투과시킨다.
이에 의해, 제 3 편광 빔 분할기(1000)에 의해 상부에서 반사되는 제 1 광자(10)와 상부에서 투과되는 제 2 광자(20)가 제 1 오버랩(Overlap)되어 측정되고, 제 3 편광 빔 분할기(1000)에 의해 하부에서 반사되는 제 1 광자(10)와 하부에서 투과되는 제 2 광자(20)가 제 2 오버랩(Overlap)되어 측정된다.
한편, 제 1 오버랩되어 측정되는 제 1 광자(10) 및 제 2 광자(20)는 제 1 주파수 얽힘 필터(1100)에 의해 동시에 투과하도록 하여 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘을 동시에 갖도록 한다.
또한, 제 2 오버랩되어 측정되는 제 1 광자(10) 및 제 2 광자(20)는 제 2 주파수 얽힘 필터(1200)에 의해 동시에 투과하도록 하여 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘을 동시에 갖도록 한다.
한편, 도 17에 도시된 화살표(A)는 수평 편광을 나타내고, 내부에 검은색 원을 포함하는 원(B)은 수직 편광을 나타내며, 도 17에서는 수평 편광과 수직 편광이 오버랩된 것을 나타낸다.
또한, 타원형의 점선은 편광 얽힘과 주파수 간격 얽힘을 나타낸다.
좀 더 상세히 설명하면, 도 17은 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘을 동시에 가지는 본 발명의 최종적인 구도를 나타낸다.
주파수 도메인(Domain)에서 광자쌍의 상관 관계를 측정하면 주파수 차원(Frequency Dimension)에서 얽힘 상태가 아래의 식 6과 같이 생성되고, 이를 이용하여 양자 간섭 효과(Quantum Interference)를 측정함으로 외부의 노이즈 광과 구분한 정보만을 측정할 수 있다.
Figure pat00007
(식 6)
또한 주파수 도메인이 아닌 편광 도메인에서 상관 관계를 측정하면, 측정할 수 있는 얽힘 상태는 편광 차원(Polarization Dimension)에서 얽힘 상태가 아래의 식 7과 같이 생성되고, 이를 이용하여 편관 상관관계를 측정함으로 외부 노이즈 광과 구분한 정보만을 측정 할 수 있다.
Figure pat00008
(식 7)
도 18은 펌프광을 광 펄스 형태로 양자 메모리가 포함된 편광 얽힘, 주파수 간격 얽힘을 가지는 양자 광원의 전체적인 구도를 나타내는 도면이다.
도 18은 도 17에 도시된 구성과 거의 동일하며, 단지 레이저(100)와, 50:50 빔 가르개(200) 사이에 광 펄스 생성기(110)가 포함된 것만 다르다.
즉, 레이저(100) 및 50:50 빔 가르개(200) 사이에 광 펄스 생성기(110)를 더 포함하고 있으며, 이러한 광 펄스 생성기(110)는 레이저(100)로부터 제공되는 광의 세기를 시간적 펄스 형태로 생성할 수 있다.
한편, 도 18에 도시된 화살표(A)는 수평 편광을 나타내고, 내부에 검은색 원을 포함하는 원(B)은 수직 편광을 나타내며, 도 18에서는 수평 편광과 수직 편광이 오버랩된 것을 나타낸다.
또한, 타원형의 점선은 편광 얽힘과 주파수 간격의 얽힘을 나타내며, 가우시안 형태의 점선 및 실선은 펄스 형태의 레이저 펌프광을 나타낸다.
이는 양자 메모리에서 얽힘을 나타낸다.
좀 더 상세히 설명하면, 양자 메모리 기능이 포함된 양자 광원으로 확장하기 위하여 도 18과 같이 양자 광원인 원자 앙상블(600)에 가해주는 레이저의 세기를 시간적 펄스 형태를 이용한다면 간단하게 양자 상태 보존을 위한 원자 앙상블(600) 기반 양자 메모리가 포함된 양자 얽힘 상태를 구현할 수 있다.
여기서 광 펄스 생성기(110)는 음향 광 변조기(Acoustic Optical Modulator) 또는 전자 광 변조기(Electro Optical Modulator)를 이용하여 구현할 수 있다.
도 19는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 방법의 전체 흐름을 나타내는 플로우 차트이다.
도 19를 참조하면, 도 19는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 방법은 총 4개의 단계를 포함한다.
제 1 단계(S10)에서는, 레이저(100)로부터 제공되는 광을 50:50 빔 가르개(200)에 의해 나누게 된다.
제 2 단계(S20)에서는, 50:50 빔 가르개(200)의 제 1 출력단으로 출력되는 광을 제 1 편광 빔 분할기(400)에 의해 수직 편광으로 제공하고, 50:50 빔 가르개(200)의 제 2 출력단으로 출력되는 광을 제 1 거울(300)에 반사시킨 후, 제 1 거울(300)에 의해 반사된 광을 제 2 편광 빔 분할기(500)에 의해 수직 편광으로 제공하게 된다.
제 3 단계(S30)에서는, 제 1 편광 빔 분할기(400) 및 제 2 편광 빔 분할기(500)에 의해 수직 편광으로 제공되는 광을 원자 앙상블(600)에 의해 서로 반대 방향으로 겹치게 인가시키고, 위상 접합 조건이 만족되도록 서로 반대 방향으로 제 1 광자(10) 및 제 2 광자(20)를 각각 생성하게 된다.
제 4 단계(S40)에서는, 원자 앙상블(600)로부터 일방향으로 생성된 제 1 광자(10) 및 제 2 광자(20) 중 제 1 광자(10)만을 제 1 필터부(700)에 의해 투과시키고, 원자 앙상블(600)로부터 타방향으로 생성된 제 1 광자(10) 및 제 2 광자(20) 중 제 2 광자(20)만을 제 2 필터부(800)에 의해 투과시키게 된다.
도 20은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 방법의 전체 흐름을 나타내는 플로우 차트이다.
도 20을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 방법은 총 4개의 단계를 포함한다.
제 1 단계(S100)에서는, 레이저(100)로부터 제공되는 광을 50:50 빔 가르개(200)에 의해 나누게 된다.
제 2 단계(S200)에서는, 50:50 빔 가르개(200)의 제 1 출력단으로 출력되는 광을 제 1 편광 빔 분할기(400)에 의해 수직 편광으로 제공하고, 50:50 빔 가르개(200)의 제 2 출력단으로 출력되는 광을 제 1 거울(300)에 반사시킨 후, 제 1 거울(300)에 의해 반사된 광을 제 2 편광 빔 분할기(500)에 의해 수직 편광으로 제공하게 된다.
제 3 단계(S300)에서는, 제 1 편광 빔 분할기(400) 및 제 2 편광 빔 분할기(500)에 의해 수직 편광으로 제공되는 광을 원자 앙상블(600)에 의해 서로 반대 방향으로 겹치게 인가시키고, 위상 접합 조건이 만족되도록 서로 반대 방향으로 복수의 제 1 광자(10) 및 복수의 제 2 광자(20)를 각각 생성하게 된다.
제 4 단계(S400)에서는, 원자 앙상블(600)로부터 일방향으로 생성된 복수의 제 1 광자(10) 및 복수의 제 2 광자(20) 중 복수의 제 1 광자(10)만을 제 1 필터부(700)에 의해 투과시키고, 원자 앙상블(600)로부터 타방향으로 생성된 복수의 제 1 광자(10) 및 복수의 제 2 광자(20) 중 복수의 제 2 광자(20)만을 제 2 필터부(800)에 의해 투과시키게 된다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 원자 앙상블과 한 레이저를 이용한 단순화된 양자 광원 시스템과 사냑 간섭계라는 위상 안정성이 매우 높은 시스템을 결합하여 다양화된 차원의 얽힘을 추가적으로 생성하여 양자 정보 처리의 효율성을 높일 수 있다.
또한, 빛의 세기가 변화가 없는 펌프광을 이용하여 원자 앙상블에서 생성된 광자쌍의 주파수 선폭은 양자 메모리에 적용 가능한 선폭으로 되어 양자 메모리에 적용 할 수 있는 시스템에 적합성을 높일 수 있다.
또한, 가해주는 펌프광의 빛의 세기를 펄스 형태로 가하여 광원 자체에 양자 메모리가 포함된 형태로 사용할 수 있어 효율적인 양자 정보 처리를 구현할 수 있다.
또한, 사냑 간섭계 양자 광원의 결합에서 광자쌍의 시간적 상관관계와 편광 얽힘과 함께 주파수 얽힘을 동시에 가질 수 있고, 이 방법의 광원을 활용하여 물체를 측정할 때 시간, 편광, 주파수의 세 개의 차원을 활용하여 잡음이 강한 환경에서 신호의 분별 기준이 높아짐으로써, 고전적인 한계를 넘는 높은 신호대비 잡음비를 가지는 양자 레이더를 개발할 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 : 비선형 결정
2 : 레이저 1
3 : 광자 1
4 : 광자 2
5 : 원자 앙상블
6 : 레이저 2
10 : 광자 1(제 1 광자)
20 : 광자 2(제 2 광자)
100 : 레이저
200 : 50:50 빔 가르개
300 : 제 1 거울
310 : 제 2 거울
320 : 제 3 거울
400 : 제 1 편광 빔 분할기
500 : 제 2 편광 빔 분할기
600 : 원자 앙상블
700 : 제 1 필터부
710 : 제 1 렌즈
720 : 제 1 필터
800 : 제 2 필터부
810 : 제 2 렌즈
820 : 제 2 필터
900 : 반파장 위상 지연판
1000 : 제 3 편광 빔 분할기
1100 : 제 1 주파수 얽힘 필터
1200 : 제 2 주파수 얽힘 필터

Claims (19)

  1. 레이저;
    상기 레이저로부터 제공되는 광을 나누는 50:50 빔 가르개;
    상기 50:50 빔 가르개의 제 1 출력단으로 출력되는 광을 수직 편광으로 제공하는 제 1 편광 빔 분할기;
    상기 50:50 빔 가르개의 제 2 출력단으로 출력되는 광을 반사시키는 제 1 거울; 및
    상기 제 1 거울에 의해 반사된 광을 수직 편광으로 제공하는 제 2 편광 빔 분할기;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 편광 빔 분할기 및 상기 제 2 편광 빔 분할기에 의해 수직 편광으로 제공되는 광을 서로 반대 방향으로 겹치게 인가시키고, 위상 정합 조건이 만족되도록 서로 반대 방향으로 제 1 광자 및 제 2 광자를 각각 생성하는 원자 앙상블;을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 원자 앙상블은 자발 사광파 조화(Spontaneous Four-Wave Mixing; SFWM) 방법에 의해 광자쌍을 생성하는 것을 특징으로 하는,
    원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 원자 앙상블로부터 일방향으로 생성된 상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자 중 상기 제 1 광자만을 투과시키는 제 1 필터부; 및
    상기 원자 앙상블로부터 타방향으로 생성된 상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자 중 상기 제 2 광자만을 투과시키는 제 2 필터부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 필터부는,
    상기 원자 앙상블로부터 생성된 상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자를 평행하게 만드는 제 1 렌즈; 및
    상기 제 1 렌즈로부터 평행하게 입력되는 상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자 중 상기 제 1 광자만을 투과시키는 제 1 필터;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 필터부는,
    상기 원자 앙상블로부터 생성된 상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자를 평행하게 만드는 제 2 렌즈; 및
    상기 제 2 렌즈로부터 평행하게 입력되는 상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자 중 상기 제 2 광자만을 투과시키는 제 2 필터;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 필터는 상기 제 2 광자를 흡수시키고 상기 제 1 광자만을 투과시키는 원자 앙상블 필터이거나 또는 상기 제 2 광자를 반사시키고 상기 제 1 광자만을 투과시키는 패브리-페로 간섭(Fabry-Perot Interferometer)을 이용한 공진 필터(Cavity Filter)이며,
    상기 제 2 필터는 상기 제 1 광자를 반사시키고 상기 제 2 광자만을 투과시키는 패브리-페로 간섭(Fabry-Perot Interferometer)을 이용한 공진 필터(Cavity Filter)인 것을 특징으로 하는,
    원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 원자 앙상블로부터 일방향으로 생성되어 제 2 거울에 반사된 상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자 중 상기 제 1 광자만을 투과시키는 제 1 필터부; 및
    상기 원자 앙상블로부터 타방향으로 생성되어 제 3 거울에 반사된 상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자 중 상기 제 2 광자만을 투과시키는 제 2 필터부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 필터부를 통과한 상기 제 1 광자가 통과시 수직 편광으로 바꾸는 반파장 위상 지연판;
    상기 반파장 위상 지연판에 의해 수직 편광으로 바뀐 상기 제 1 광자를 하부에서 반사시키고, 상기 제 2 필터부를 통과한 상기 제 2 광자를 상부에서 투과시키는 제 3 편광 빔 분할기;를 더 포함하며,
    상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자는 상기 원자 앙상블로 제공되는 광을 축으로 각각 180°+ θ 및 θ나 또는 θ 및 180°+ θ 각도로 생성되는 것을 특징으로 하는,
    원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 필터부를 통과한 상기 제 1 광자가 통과시 수직 편광으로 바꾸는 반파장 위상 지연판;
    상기 반파장 위상 지연판에 의해 수직 편광으로 바뀐 상기 제 1 광자를 상부에서 반사시키고, 상기 제 2 필터부를 통과한 상기 제 2 광자를 하부에서 투과시키는 제 3 편광 빔 분할기;를 더 포함하며,
    상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자는 상기 원자 앙상블로 제공되는 광을 축으로 각각 180°- θ 및 -θ나 또는 -θ 및 180°- θ 각도로 생성되는 것을 특징으로 하는,
    원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 필터부를 통과한 상기 제 1 광자가 통과시 수직 편광으로 바꾸는 반파장 위상 지연판;
    상기 반파장 위상 지연판에 의해 수직 편광으로 바뀐 상기 제 1 광자를 상부에서 반사시키고, 상기 제 2 필터부를 통과한 상기 제 2 광자를 상부에서 투과시키는 제 3 편광 빔 분할기;를 더 포함하며,
    상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자는 상기 원자 앙상블로 제공되는 광을 축으로 각각 180°- θ 및 θ나 또는 θ 및 180°- θ 각도로 생성되며,
    상기 제 3 편광 빔 분할기를 통과한 상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자는 오버랩(Overlap)되어 측정되는 것을 특징으로 하는,
    원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 필터부를 통과한 상기 제 1 광자가 통과시 수직 편광으로 바꾸는 반파장 위상 지연판;
    상기 반파장 위상 지연판에 의해 수직 편광으로 바뀐 상기 제 1 광자를 하부에서 반사시키고, 상기 제 2 필터부를 통과한 상기 제 2 광자를 하부에서 투과시키는 제 3 편광 빔 분할기;를 더 포함하며,
    상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자는 상기 원자 앙상블로 제공되는 광을 축으로 각각 180° + θ 및 - θ나 또는 - θ 및 180° + θ 각도로 생성되며,
    상기 제 3 편광 빔 분할기를 통과한 상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자는 오버랩(Overlap)되어 측정되는 것을 특징으로 하는,
    원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 편광 빔 분할기 및 상기 제 2 편광 빔 분할기에 의해 수직 편광으로 제공되는 광을 서로 반대 방향으로 겹치게 인가시키고, 위상 정합 조건이 만족되도록 서로 반대 방향으로 복수의 제 1 광자 및 복수의 제 2 광자를 각각 생성하는 원자 앙상블;을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 원자 앙상블로부터 일방향으로 생성된 복수의 제 1 광자 및 복수의 제 2 광자 중 복수의 제 1 광자만을 투과시키는 제 1 필터부; 및
    상기 원자 앙상블로부터 타방향으로 생성된 복수의 제 1 광자 및 복수의 제 2 광자 중 복수의 제 2 광자만을 투과시키는 제 2 필터부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 필터부를 통과한 복수의 제 1 광자가 통과시 수직 편광으로 바꾸는 반파장 위상 지연판;
    상기 반파장 위상 지연판에 의해 수직 편광으로 바뀐 복수의 제 1 광자 중 하나는 상부에서 반사시키고, 복수의 제 1 광자 중 다른 하나는 하부에서 반사시키며, 상기 제 2 필터부를 통과한 복수의 제 2 광자 중 하나는 상부에서 투과시키고, 복수의 제 2 광자 중 다른 하나는 하부에서 투과시키는 제 3 편광 빔 분할기;를 더 포함하며,
    상기 제 3 편광 빔 분할기에 의해 상부에서 반사되는 제 1 광자와 상부에서 투과되는 제 2 광자가 제 1 오버랩(Overlap)되어 측정되고,
    상기 제 3 편광 빔 분할기에 의해 하부에서 반사되는 제 1 광자와 하부에서 투과되는 제 2 광자가 제 2 오버랩(Overlap)되어 측정되는 것을 특징으로 하는,
    원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 오버랩되어 측정되는 제 1 광자 및 제 2 광자를 동시에 투과하도록 하여 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘을 동시에 갖도록 하는 제 1 주파수 얽힘 필터; 및
    상기 제 2 오버랩되어 측정되는 제 1 광자 및 제 2 광자를 동시에 투과하도록 하여 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘을 동시에 갖도록 하는 제 2 주파수 얽힘 필터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 레이저 및 상기 50:50 빔 가르개 사이에 광 펄스 생성기;를 더 포함하며,
    상기 광 펄스 생성기는 상기 레이저로부터 제공되는 광의 세기를 시간적 펄스 형태로 생성하는 것을 특징으로 하는,
    원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 시스템.
  18. 레이저로부터 제공되는 광을 50:50 빔 가르개에 의해 나누는 제 1 단계;
    상기 50:50 빔 가르개의 제 1 출력단으로 출력되는 광을 제 1 편광 빔 분할기에 의해 수직 편광으로 제공하고, 상기 50:50 빔 가르개의 제 2 출력단으로 출력되는 광을 제 1 거울에 반사시킨 후, 상기 제 1 거울에 의해 반사된 광을 제 2 편광 빔 분할기에 의해 수직 편광으로 제공하는 제 2 단계;
    상기 제 1 편광 빔 분할기 및 상기 제 2 편광 빔 분할기에 의해 수직 편광으로 제공되는 광을 원자 앙상블에 의해 서로 반대 방향으로 겹치게 인가시키고, 위상 정합 조건이 만족되도록 서로 반대 방향으로 제 1 광자 및 제 2 광자를 각각 생성하는 제 3 단계; 및
    상기 원자 앙상블로부터 일방향으로 생성된 상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자 중 상기 제 1 광자만을 제 1 필터부에 의해 투과시키고, 상기 원자 앙상블로부터 타방향으로 생성된 상기 제 1 광자 및 상기 제 2 광자 중 상기 제 2 광자만을 제 2 필터부에 의해 투과시키는 제 4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 방법.
  19. 레이저로부터 제공되는 광을 50:50 빔 가르개에 의해 나누는 제 1 단계;
    상기 50:50 빔 가르개의 제 1 출력단으로 출력되는 광을 제 1 편광 빔 분할기에 의해 수직 편광으로 제공하고, 상기 50:50 빔 가르개의 제 2 출력단으로 출력되는 광을 제 1 거울에 반사시킨 후, 상기 제 1 거울에 의해 반사된 광을 제 2 편광 빔 분할기에 의해 수직 편광으로 제공하는 제 2 단계;
    상기 제 1 편광 빔 분할기 및 상기 제 2 편광 빔 분할기에 의해 수직 편광으로 제공되는 광을 원자 앙상블에 의해 서로 반대 방향으로 겹치게 인가시키고, 위상 정합 조건이 만족되도록 서로 반대 방향으로 복수의 제 1 광자 및 복수의 제 2 광자를 각각 생성하는 제 3 단계; 및
    상기 원자 앙상블로부터 일방향으로 생성된 복수의 제 1 광자 및 복수의 제 2 광자 중 복수의 제 1 광자만을 제 1 필터부에 의해 투과시키고, 상기 원자 앙상블로부터 타방향으로 생성된 복수의 제 1 광자 및 복수의 제 2 광자 중 복수의 제 2 광자만을 제 2 필터부에 의해 투과시키는 제 4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    원자 앙상블에서 주파수 간격 얽힘과 편광 얽힘 광자쌍 생성 방법.
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