KR20220077007A - Apparatus and method for optical-microwave quantum entangled photon pair generation, and quantum radar using the same - Google Patents
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Abstract
광-마이크로파 얽힘 광자쌍 생성 장치는 비선형 결정을 이용하여 레이저의 광자를 양자 얽힘 상태를 갖는 제1 시그널 모드 및 아이들러 모드로 나누는 광파 얽힘 광자쌍 생성기, 및 상기 제1 시그널 모드를 마그논 모드로 변환하고, 상기 마그논 모드를 마이크로파인 제2 시그널 모드로 변환하여 방사하는 광-마이크로파 변환기를 포함하고, 상기 아이들러 모드와 상기 제2 시그널 모드는 광-마이크로파 양자 얽힘 광자쌍을 형성한다.An optical-microwave entangled photon pair generator uses a nonlinear crystal to split photons of a laser into a first signal mode and an idler mode having a quantum entanglement state, and a light wave entanglement photon pair generator converts the first signal mode to a magnon mode and an optical-microwave converter that converts the magnon mode into a microwave second signal mode and emits the light, wherein the idler mode and the second signal mode form a photon-microwave quantum entangled photon pair.
Description
본 발명은 광-마이크로파 양자 얽힘 광자쌍 생성 장치 및 그 방법, 이를 이용한 양자 레이더에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이트륨 철 가넷 결정(yttrium iron garnet crystals)을 이용한 광-마이크로파 양자 얽힘 광자쌍 생성 장치 및 그 방법, 이를 이용한 양자 레이더에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for generating an optical-microwave quantum entangled photon pair, a method for generating the same, and a quantum radar using the same, and more particularly, to an apparatus for generating an optical-microwave quantum entangled photon pair using yttrium iron garnet crystals, and It relates to a method and a quantum radar using the same.
양자 얽힘 상태란 두 개 이상의 입자가 고전적인 물리 이론으로 설명할 수 없는 강한 상관관계인 얽힘을 갖고 있는 상태이다. 양자 광학에서 가장 널리 사용되는 양자 얽힘 상태는 이중 모드 진공 압축(two-mode squeezed vacuum, TMSV) 상태라고 하며, 두 개의 광자(photon)가 얽힘 관계를 갖고 있는 상태이다. Quantum entanglement is a state in which two or more particles have entanglement, a strong correlation that cannot be explained by classical physical theory. The most widely used quantum entanglement state in quantum optics is called a two-mode squeezed vacuum (TMSV) state, and is a state in which two photons have an entangled relationship.
양자 얽힘 상태는 양자적인 상관관계인 얽힘을 이용하여 기존보다 높은 민감도의 센싱이 가능한 것으로 알려져 있다. 특히, 양자 레이더와 같은 기술은 기존의 레이더보다 낮은 반사율의 물체를 더 잘 탐지할 수 있는 것으로 알려져 있으며, 스텔스 특성을 가진 물체를 탐지할 수 있는 것으로 주목받고 있다.It is known that the quantum entanglement state can be sensed with higher sensitivity than before using entanglement, which is a quantum correlation. In particular, technologies such as quantum radar are known to be able to detect low reflectivity objects better than conventional radars, and are attracting attention as being able to detect objects with stealth characteristics.
하지만, 이를 구현하는데 있어서 주파수 선택에 문제가 있다. 먼 거리의 물체를 탐지하는데 있어서는 광학 주파수보다 마이크로파와 같이 파장이 긴 것이 더 적합하다. 반면에 파장이 긴 마이크로파는 광자 수준에서의 에너지가 너무 낮아 그 생성과 탐지가 기술적으로 어려운 문제가 있다. However, there is a problem in frequency selection in implementing this. Longer wavelengths such as microwaves are more suitable than optical frequencies for detecting distant objects. On the other hand, long-wavelength microwaves have too low energy at the photon level, so their generation and detection are technically difficult.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 이트륨 철 가넷(yttrium iron garnet, YIG) 결정을 이용한 광-마이크로파 얽힘 광자쌍 생성 장치와 그 방법, 이를 이용한 양자 레이더를 제공함에 있다. The technical problem to be solved by the present invention is to provide an apparatus for generating an optical-microwave entangled photon pair using a yttrium iron garnet (YIG) crystal, a method thereof, and a quantum radar using the same.
광-마이크로파의 변환에 대한 연구는 진행된 바 있으나, 광자 수준에서의 변환의 실험적 구현은 비교적 최근에서야 진행되고 있다. 또한, 이러한 실험들은 하나의 광자를 마이크로파로 변환하는 실험이며, 얽힘 광자쌍 중 하나의 광자를 마이크로파로 변환하면서 얽힘 상태를 유지하는 형태는 연구된 바가 없다. Although light-microwave conversion has been studied, the experimental implementation of photon-level conversion has only been conducted relatively recently. In addition, these experiments are experiments in which one photon is converted into microwaves, and the form of maintaining the entangled state while converting one of the entangled photon pairs into microwaves has not been studied.
본 발명의 일 실시예에 따른 광-마이크로파 얽힘 광자쌍 생성 장치는 비선형 결정을 이용하여 레이저의 광자를 양자 얽힘 상태를 갖는 제1 시그널 모드 및 아이들러 모드로 나누는 광파 얽힘 광자쌍 생성기, 및 상기 제1 시그널 모드를 마그논 모드로 변환하고, 상기 마그논 모드를 마이크로파인 제2 시그널 모드로 변환하여 방사하는 광-마이크로파 변환기를 포함하고, 상기 아이들러 모드와 상기 제2 시그널 모드는 광-마이크로파 양자 얽힘 광자쌍을 형성한다.An optical-microwave entangled photon pair generator according to an embodiment of the present invention divides photons of a laser into a first signal mode and an idler mode having a quantum entanglement state using a nonlinear crystal, and the first a light-to-microwave converter that converts a signal mode into a magnon mode, converts the magnon mode into a microwave second signal mode and emits light, wherein the idler mode and the second signal mode are light-microwave quantum entanglement photons form a pair
상기 광파 얽힘 광자쌍 생성기는, 전자의 에너지 층을 높게 만들어 광을 방출하는 펌프 레이저, 및 상기 펌프 레이저로부터 입사되는 광을 제1 방향으로 편광된 상기 제1 시그널 모드 및 제2 방향으로 편광된 상기 아이들러 모드로 나누는 자발매개변수하향 변환 결정을 포함할 수 있다.The light wave entanglement photon pair generator includes a pump laser emitting light by raising the energy layer of electrons, and the first signal mode polarized in a first direction and the light incident from the pump laser polarized in a second direction Spontaneous parametric downconversion decisions to split into idler modes may be included.
상기 광-마이크로파 변환기는, 상기 제1 시그널 모드를 스핀 파동으로 양자화하여 상기 마그논 모드로 변환하는 이트륨 철 가넷 결정, 및 상기 마그논 모드를 상기 제2 시그널 모드로 변환하는 마이크로파 공진기를 포함할 수 있다.The optical-microwave converter may include a yttrium iron garnet crystal that quantizes the first signal mode into a spin wave to convert it into the magnon mode, and a microwave resonator that converts the magnon mode into the second signal mode. have.
상기 광-마이크로파 변환기는, 상기 마이크로파 공진기 내부에 외부 자기장을 형성하는 마그넷을 더 포함하고, 상기 이트륨 철 가넷 결정은 상기 마이크로파 공진기 내에서 상기 외부 자기장 분포가 최대가 되는 지점에 고정될 수 있다.The optical-microwave converter may further include a magnet for forming an external magnetic field inside the microwave resonator, and the yttrium iron garnet crystal may be fixed at a point in the microwave resonator where the external magnetic field distribution is maximized.
본 발명의 다른 실시예에 따른 광-마이크로파 얽힘 광자쌍 생성 방법은 비선형 결정을 이용하여 레이저의 광자를 양자 얽힘 상태를 갖는 제1 시그널 모드 및 아이들러 모드로 나누는 단계, 이트륨 철 가넷 결정을 이용하여 상기 제1 시그널 모드를 마그논 모드로 변환하는 단계, 및 상기 마그논 모드를 마이크로파인 제2 시그널 모드로 변환하여 방사하는 단계를 포함하고, 상기 아이들러 모드와 상기 제2 시그널 모드는 광-마이크로파 양자 얽힘 광자쌍을 형성한다.The photo-microwave entangled photon pair generation method according to another embodiment of the present invention comprises the steps of dividing photons of a laser into a first signal mode and an idler mode having a quantum entanglement state using a nonlinear crystal, and using a yttrium iron garnet crystal. converting a first signal mode to a magnon mode, and converting the magnon mode to a second signal mode that is microwave and emitting, wherein the idler mode and the second signal mode are optical-microwave quantum entanglement form a photon pair.
자발매개변수하향 변환 결정을 이용하여 펌프 레이저로부터 입사되는 광을 제1 방향으로 편광된 상기 제1 시그널 모드 및 제2 방향으로 편광된 상기 아이들러 모드로 나눌 수 있다. The light incident from the pump laser may be divided into the first signal mode polarized in a first direction and the idler mode polarized in a second direction by using a spontaneous parameter down-conversion crystal.
상기 이트륨 철 가넷 결정의 스핀 파동으로 상기 제1 시그널 모드를 상기 마그논 모드로 변환할 수 있다. The first signal mode may be converted into the magnon mode by a spin wave of the yttrium iron garnet crystal.
상기 이트륨 철 가넷 결정을 마이크로파 공진기 내에 고정하고, 외부 자기장으로 상기 이트륨 철 가넷 결정의 자기장을 정렬한 후 서로 수식한 편광을 가진 2-주파수 결맞음 레이저를 주사하여 상기 마그논 모드를 생성할 수 있다.The magnon mode may be generated by fixing the yttrium iron garnet crystal in a microwave resonator, aligning the magnetic field of the yttrium iron garnet crystal with an external magnetic field, and then scanning two-frequency coherent lasers having modified polarizations.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양자 레이더는 비선형 결정을 이용하여 레이저의 광자를 양자 얽힘 상태를 갖는 제1 시그널 모드 및 아이들러 모드로 나누고, 상기 제1 시그널 모드를 마그논 모드로 변환하고, 상기 마그논 모드를 마이크로파인 제2 시그널 모드로 변환하여 피사체를 향해 방사하는 광-마이크로파 얽힘 광자쌍 생성 장치, 및 상기 아이들러 모드를 보존하고, 상기 피사체에 반사된 상기 제2 시그널 모드를 취합하여 상기 피사체를 감지하는 측정기를 포함하고, 상기 아이들러 모드와 상기 제2 시그널 모드는 광-마이크로파 양자 얽힘 광자쌍을 형성한다. A quantum radar according to another embodiment of the present invention divides photons of a laser into a first signal mode and an idler mode having a quantum entanglement state using a nonlinear crystal, and converts the first signal mode into a magnon mode, A light-microwave entangled photon pair generating device that converts a magnon mode into a microwave second signal mode and radiates it toward a subject, and a device that preserves the idler mode and collects the second signal mode reflected by the subject to and a meter for sensing, wherein the idler mode and the second signal mode form an optical-microwave quantum entangled photon pair.
상기 광-마이크로파 얽힘 광자쌍 생성 장치는, 상기 제1 시그널 모드를 스핀 파동으로 양자화하여 상기 마그논 모드로 변환하는 이트륨 철 가넷 결정, 및 상기 마그논 모드를 상기 제2 시그널 모드로 변환하는 마이크로파 공진기를 포함할 수 있다. The photo-microwave entangled photon pair generating device includes a yttrium iron garnet crystal that quantizes the first signal mode into a spin wave to convert it into the magnon mode, and a microwave resonator that converts the magnon mode into the second signal mode may include
이트륨 철 가넷(YIG) 결정을 이용한 광자 변환은 극저온이 아닌 상온에서도 광-마이크로파 변환을 할 수 있으므로 극저온을 필요로 하는 변환 방법보다 실사용에 더욱 유리하다. Photon conversion using yttrium iron garnet (YIG) crystals can perform photo-microwave conversion even at room temperature rather than cryogenic temperature, so it is more advantageous for practical use than conversion methods that require cryogenic temperatures.
또한, 이트륨 철 가넷(YIG) 결정을 이용한 광자 변환은 다른 광-마이크로파 변환 장치보다 넓은 대역폭의 변환이 가능하다. 따라서 이트륨 철 가넷(YIG) 결정을 이용한 광자 변환은 다양한 주파수로 물체를 탐지하는 양자 레이더와 같은 장치에 적합하다.In addition, photon conversion using yttrium iron garnet (YIG) crystals enables conversion of a wider bandwidth than other optical-microwave conversion devices. Therefore, photon conversion using yttrium iron garnet (YIG) crystals is suitable for devices such as quantum radars that detect objects at various frequencies.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광-마이크로파 얽힘 광자쌍 생성 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광파 얽힘 광자쌍 생성기를 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이트륨 철 가넷(YIG) 결정을 이용한 광-마이크로파 변환기를 나타내는 블록도이다.
도 4는 마그논 모드인 키텔 모드와 마이크로파 공진기의 상호작용으로 인하여 마이크로파-광파 변환 주파수가 변하는 것을 나타내는 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 마이크로파-광 변환 실험의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 이트륨 철 가넷(YIG) 결정을 이용한 광-마이크로파 변환기를 나타내는 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광-마이크로파 얽힘 광자쌍 생성 장치를 이용한 양자 레이더를 나타내는 블록도이다.1 is a block diagram illustrating an apparatus for generating an optical-microwave entangled photon pair according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram illustrating a light wave entanglement photon pair generator according to an embodiment of the present invention.
3 is a block diagram illustrating an optical-microwave converter using a yttrium iron garnet (YIG) crystal according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing a change in the microwave-light wave conversion frequency due to the interaction between the magnon mode, the Kittel mode, and the microwave resonator.
5 is a graph showing a result of a microwave-light conversion experiment according to an embodiment.
6 is an exemplary view illustrating an optical-microwave converter using a yttrium iron garnet (YIG) crystal.
7 is a block diagram illustrating a quantum radar using an optical-microwave entangled photon pair generating apparatus according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement them. The present invention may be embodied in several different forms and is not limited to the embodiments described herein.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly explain the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals are assigned to the same or similar components throughout the specification.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In addition, throughout the specification, when a part "includes" a certain component, this means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광-마이크로파 얽힘 광자쌍 생성 장치를 나타내는 블록도이다.1 is a block diagram illustrating an apparatus for generating an optical-microwave entangled photon pair according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 광-마이크로파 얽힘 광자쌍 생성 장치(1)는 광파 얽힘 광자쌍 생성기(10) 및 광-마이크로파 변환기(20)를 포함한다.Referring to FIG. 1 , an optical-microwave entangled photon
광파 얽힘 광자쌍 생성기(10)는 비선형 결정을 이용하여 레이저의 광자(photon)를 두 개의 광자로 나눈다. 이때, 두 광자의 위치 모드를 다르게 할 수 있고, 두 광자 중 하나를 시그널 모드라 하고 다른 하나를 아이들러 모드라 한다. 다시 말해, 광파 얽힘 광자쌍 생성기(10)는 제1 시그널 모드(SGN1) 및 아이들러 모드(IDL)를 생성한다. 제1 시그널 모드(SGN1)와 아이들러 모드(IDL)는 양자 얽힘 상태를 갖는다. 제1 시그널 모드(SGN1)와 아이들러 모드(IDL)는 양자 얽힘 상태를 갖는 광파(optical wave)이다. The light wave entanglement
양자 얽힘 상태는 이중 모드 진공 압축(two-mode squeezed vacuum, TMSV) 상태라고 하며, 두 개의 광자가 얽힘 관계를 갖고 있는 상태이다. 이중 모드 진공 압축(TMSV) 상태는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.The quantum entangled state is called a two-mode squeezed vacuum (TMSV) state, and is a state in which two photons have an entangled relationship. The dual-mode vacuum compression (TMSV) state may be expressed as in Equation (1).
여기서, 벡터의 밑 알파벳인 S와 I는 각각 시그널 모드와 아이들러 모드의 광자를 의미한다. 는 각 모드의 평균 광자 수를 나타낸다. 이러한 광학적 이중 모드 진공 압축(TMSV) 상태는 자발매개변수하향 변환(spontaneous parametric down-conversion, SPDC)을 이용하여 구현될 수 있다. 자발매개변수하향 변환(SPDC)은 펌프(pump) 레이저의 광자가 에너지와 운동량을 보존하면서 두 개의 광자로 쪼개지는 현상을 나타낸다. 이때, 자발매개변수하향 변환(SPDC)의 과정에 따라 두 개의 광자인 시그널 모드와 아이들러 모드의 주파수를 다르게 하는 것이 가능하다.Here, S and I, which are the lower alphabets of the vector, mean photons of signal mode and idler mode, respectively. represents the average number of photons in each mode. This optical dual-mode vacuum compression (TMSV) state can be implemented using spontaneous parametric down-conversion (SPDC). Spontaneous parameter downconversion (SPDC) refers to the phenomenon in which a photon of a pump laser is split into two photons while conserving energy and momentum. In this case, it is possible to make the frequencies of the signal mode and the idler mode, which are two photons, different according to the process of spontaneous parameter down-conversion (SPDC).
광-마이크로파 변환기(20)는 이트륨 철 가넷(YIG) 결정과 마이크로파 공진기(microwave cavity)를 이용하여 제1 시그널 모드(SGN1)를 마이크로파인 제2 시그널 모드(SGN2)로 변환한다. 즉, 광-마이크로파 변환기(20)는 광파를 마이크로파로 변환한다. The light-to-
광파인 아이들러 모드(IDL)와 마이크로파인 제2 시그널 모드(SGN2)는 광-마이크로파 양자 얽힘 광자쌍을 형성한다. 이와 같이, 광-마이크로파 얽힘 광자쌍 생성 장치(1)는 광-마이크로파 양자 얽힘 광자쌍을 생성할 수 있다.The idler mode (IDL), which is a light wave, and the second signal mode (SGN2), which is a microwave, form a light-microwave quantum entangled photon pair. In this way, the optical-microwave entangled photon
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광파 얽힘 광자쌍 생성기를 나타내는 블록도이다. 도 1의 광파 얽힘 광자쌍 생성기(10)는 도 2와 같이 구현될 수 있다.2 is a block diagram illustrating a light wave entanglement photon pair generator according to an embodiment of the present invention. The light wave entanglement
도 2를 참조하면, 광파 얽힘 광자쌍 생성기(10)는 펌프 레이저(110) 및 자발매개변수하향 변환(SPDC) 결정(120)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2 , the light wave entanglement
펌프 레이저(110)는 광원으로부터 빛을 전자가 흡수하여 낮은 에너지 상태에서 높은 에너지 상태로 전자의 에너지 층을 높게 만드는 레이저 장치이다. 펌프 레이저(110)에서 방출되는 광은 비선형 결정인 SPDC 결정(120)에 입사된다. 비선형 결정에는 BBO(Beta barium borate) 결정이 있다.The
SPDC 결정(120)은 펌프 레이저(110)로부터 입사되는 광의 광자를 확률적으로 두 개의 광자로 나누어 제1 시그널 모드(SGN1) 및 아이들러 모드(IDL)를 형성한다. 제1 시그널 모드(SGN1)는 수직 방향으로 편광된 P 편광이고, 아이들러 모드(IDL)는 수평 방향으로 편광된 S 편광일 수 있다. 제1 시그널 모드(SGN1)의 편광 방향은 아이들러 모드(IDL)의 편광 방향과 직교일 수 있다.The SPDC crystal 120 divides a photon of the light incident from the
펌프 레이저(110)에서 생성된 주파수 f, 운동량 k의 광자가 SPDC 결정(120)에 들어가면 확률적으로 광자가 두 개의 광자(제1 시그널 모드(SGN1) 및 아이들러 모드(IDL))로 나뉜다. 자발매개변수하향 변환(SPDC)은 에너지 보존 법칙과 운동량 보존 법칙을 만족하면서 일어나기 때문에 시그널 모드를 S, 아이들러 모드를 I라고 하면, 두 광자의 주파수 및 운동량은 수학식 2의 조건을 만족한다.When a photon of frequency f and momentum k generated by the
자발매개변수하향 변환(SPDC)을 통해 생성되는 얽힘 광자쌍은 수학식 1에서 언급한 이중 모드 진공 압축(TMSV) 상태를 갖는다.The entangled photon pair generated through spontaneous parametric down-conversion (SPDC) has the dual-mode vacuum compression (TMSV) state mentioned in
아이들러 모드(IDL)의 광자는 외부와의 상호작용이 없게 보존되고, 제1 시그널 모드(SGN1)의 광자는 광-마이크로파 변환기(20)를 이용하여 광-마이크로파 변환될 수 있다. Photons of the idler mode (IDL) are preserved without interaction with the outside, and photons of the first signal mode (SGN1) may be optically-microwave converted using the optical-
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이트륨 철 가넷(YIG) 결정을 이용한 광-마이크로파 변환기를 나타내는 블록도이다. 도 1의 광-마이크로파 변환기(20)는 도 3과 같이 구현될 수 있다.3 is a block diagram illustrating an optical-microwave converter using a yttrium iron garnet (YIG) crystal according to an embodiment of the present invention. The optical-
도 3을 참조하면, 광-마이크로파 변환기(20)는 혼합계(210)를 포함하고, 혼합계(210)는 이트륨 철 가넷(YIG) 결정(211) 및 마이크로파 공진기(212)를 포함할 수 있다. YIG 결정(211)을 이용한 광-마이크로파 변환은 YIG 결정(211)의 키텔(Kittle) 모드와 마이크로파 공진기(212)의 혼합계(210)를 매개로 하여 이루어진다.Referring to FIG. 3 , the optical-
제1 시그널 모드(SGN1)가 YIG 결정(211)에 입사되면, YIG 결정(211)에 의해 제1 시그널 모드(SGN1)가 키텔 모드(KTTL)(마그논 모드)로 변환되어 마이크로파 공진기(212)에 입사된다. YIG 결정(211)은 높은 스핀 밀도를 갖고 있는 강자성체이다. 강자성체 내에서는 스핀(spin) 파동이 존재할 수 있는데, 이러한 스핀 파동은 보즈 통계(Bose statistics)를 따르는 보존으로 기술될 수 있다. 스핀 파동을 양자화한 입자를 마그논(magnon)이라고 하며, 이 중에서 공간적으로 균일한 정자기 모드를 키텔 모드(KTTL)라고 한다. YIG 결정(211)은 제1 시그널 모드(SGN1)를 스핀 파동으로 양자화하여 마그논 모드(키텔 모드(KTTL))로 변환할 수 있다. When the first signal mode (SGN1) is incident on the
마이크로파 공진기(212)는 키텔 모드(KTTL)(마그논 모드)를 마이크로파로 변환하여 마이크로파인 제2 시그널 모드(SGN2)를 방사한다. The
광파, 마이크로파 공진기(212) 내의 마이크로파 및 키텔 모드는 수학식 3과 같이 물리적으로 해밀토니안(Hamiltonian)을 이용하여 표현할 수 있다.Light waves, microwaves in the
여기에서 , , , 는 각각 마이크로파 공진기 모드, 내부 순환 마이크로파 모드, 광파 모드, 마그논 모드의 소멸 연산자를 나타낸다. 는 입출력 손실, 는 공진 주파수, 와 는 각각 마이크로파-마그논과 광자-마그논 연결(coupling) 효율을 나타낸다. 아래첨자 알파벳 o, e, m은 각각 광파, 마이크로파, 마그논에 대한 물리량을 나타낸다. 각 식은 첫 번째 식부터 전체 물리계, 내부 순환 마이크로파와 마이크로파 공진기 모드의 상호 작용계, 마이크로파 공진기 모드와 마그논 모드의 상호 작용계, 광파와 마그논 모드의 상호 작용계의 해밀토니안을 의미한다.From here , , , denotes the extinction operators of the microwave resonator mode, internal circulation microwave mode, light wave mode, and magnon mode, respectively. is the input/output loss, is the resonant frequency, Wow denotes microwave-magnon and photon-magnon coupling efficiency, respectively. The subscript alphabets o, e, and m represent physical quantities for light waves, microwaves, and magnons, respectively. Each equation means the Hamiltonian of the entire physical system from the first equation, the interaction system of internal circulation microwave and microwave resonator mode, the interaction system of microwave resonator mode and magnon mode, and the interaction system of light wave and magnon mode.
도 4는 마그논 모드인 키텔 모드와 마이크로파 공진기의 상호작용으로 인하여 마이크로파-광파 변환 주파수가 변하는 것을 나타내는 그래프이다.4 is a graph showing a change in the microwave-light wave conversion frequency due to the interaction between the magnon mode, the Kittel mode, and the microwave resonator.
도 4를 참조하면, 그래프의 가로축은 외부 자기장을 나타내고, 세로축은 마이크로파 주파수를 나타낸다. 수평 점선은 마이크로파 공진기(212)의 공진 주파수를 나타내고, 대각 점선은 키텔 모드의 주파수를 나타낸다. 외부 자기장에 따라 키텔 모드(마그논 모드)의 주파수가 달라지고, 이 주파수가 마이크로파 공진기(212)의 공진 주파수에 접근하며, 키텔 모드의 주파수와 마이크로파 공진기(212)의 공진 주파수가 상호작용하여 혼합계(210)의 공진 주파수를 변화시키는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 4 , the horizontal axis of the graph represents the external magnetic field, and the vertical axis represents the microwave frequency. The horizontal dotted line indicates the resonance frequency of the
전체 물리계 해밀토니안과 열린계의 운동 방정식인 양자 랑주뱅(Langevin) 방정식을 이용하여 마이크로파 공진기(212)의 입출력 관계식을 구할 수 있으며, 마이크로파 공진기(212)의 자체 손실을 무시하면 광-마이크로파의 입출력 관계식은 수학식 4 및 5와 같이 나타낼 수 있다. The input/output relation of the
여기서, 아래첨자 in, out은 각각 마이크로파 공진기(212)로 들어가는 파동과 나오는 파동을 의미한다. 는 광학-마그논 모드의 연결 효율 평균과 마이크로파-마그논 모드의 연결 효율 평균, 그리고 마이크로파 주파수와 키텔 모드의 주파수 차이를 이용하여 구해지는 값이다. 수학식 4 및 5로부터 YIG 결정(211)과 마이크로파 공진기(212)의 혼합계(210)를 이용하여 광파의 광자가 마이크로파의 광자로 변환되고, 마이크로파의 광자가 광파의 광자로 서로 변환될 수 있고, 그 변환 효율은 서로 다른 입출력 연산자의 계수의 절대값 제곱으로 주어짐을 알 수 있으며, 광-마이크로파 변환과 마이크로파-광 변환의 효율이 같음을 확인할 수 있다.Here, the subscripts in and out mean a wave entering the
도 5는 일 실시예에 따른 마이크로파-광 변환 실험의 결과를 나타내는 그래프이다.5 is a graph showing a result of a microwave-light conversion experiment according to an embodiment.
도 5를 참조하면, 마이크로파-광 변환 실험의 데이터를 보여주고 있다. 마이크로파 공진기(212)로 10dB의 마이크로파를 입력한 후 광 세기 74dBm이 나오는 것을 확인할 수 있다. 케이블에서의 파워 손실, 광 검출기의 증폭(gain) 30dB를 고려하면 변환 효율은 약 120dB 이상임을 알 수 있다. 배경 잡음과 변환된 광 신호가 확연히 구별됨을 확인할 수 있다. 수학식 4 및 5에서 확인한 바와 같이, 광-마이크로파 변환의 변환 효율도 같은 정도로 약 -120dB 이상일 것임을 알 수 있다. Referring to FIG. 5 , data of a microwave-light conversion experiment are shown. It can be seen that a light intensity of 74 dBm is output after a microwave of 10 dB is input to the
도 6은 이트륨 철 가넷(YIG) 결정을 이용한 광-마이크로파 변환기를 나타내는 예시도이다.6 is an exemplary view illustrating an optical-microwave converter using a yttrium iron garnet (YIG) crystal.
도 6을 참조하면, 광-마이크로파 변환기(20)는 YIG 결정(211), 마이크로파 공진기(212) 및 마그넷(213)으로 구현될 수 있다. Referring to FIG. 6 , the optical-
마그넷(213)은 마이크로파 공진기(212)의 외부에 장착되고 마이크로파 공진기(212)의 내부에 외부 자기장을 형성한다.The
YIG 결정(211)은 마이크로파 공진기(212) 내부에 위치한다. YIG 결정(211)은 마이크로파 공진기(212) 내에서 외부 자기장 분포가 최대가 되는 지점에 고정될 수 있다. 외부 자기장을 통해 YIG 결정(211)의 자기장이 정렬된다. 여기에 서로 수직한 편광을 가진 2-주파수 결맞음 레이저를 이용하여 YIG 결정(211) 내 스핀의 세차 운동을 생성하여 마그논 모드를 생성하게 된다. 광-마이크로파 변환을 위하여 한 주파수의 광은 펌프 레이저(110)로부터 계속해서 주사되고, 다른 하나의 주파수의 단 광자를 입력하면 마그논 모드를 생성할 수 있다. 생성된 마그논 모드는 마이크로파 공진기(212)를 통해 마이크로파로 변환된다. 이때, 효율을 높이기 위하여 2-주파수 결맞음 레이저의 주파수 차이는 마이크로파 공진기(212)의 주파수로 한다. 변환 효율을 향상시키기 위해서 광학 공진기가 추가될 수 있다.The
상술한 바와 같이, 광-마이크로파 얽힘 광자쌍 생성 장치(1)는 광-마이크로파 양자 얽힘 광자쌍을 생성할 수 있다.As described above, the optical-microwave entangled photon
양자 역학을 포함하지 않은 물리 법칙을 이용하면, 두 개 모드의 위상 민감 상관관계(phase-sensitive correlation)의 크기의 최댓값은 각 모드의 광자 수의 곱의 제곱근을 초과할 수 없으며, 이는 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.Using a physical law that does not include quantum mechanics, the maximum value of the magnitude of the phase-sensitive correlation of two modes cannot exceed the square root of the product of the number of photons in each mode, which is expressed in Equation 6 can be expressed as
여기서, 아래첨자 S와 I는 각각 시그널 모드와 아이들러 모드를 나타낸다. 하지만, 양자 상관관계인 얽힘 관계에 있는 두 개의 모드는 위의 부등식을 위배할 수 있다. 얽힘 상태인 이중 모드 진공 압축(TMSV) 상태의 경우, 수학식 7 및 8과 같은 값을 가질 수 있다.Here, the subscripts S and I indicate the signal mode and the idler mode, respectively. However, two modes in an entangled relationship, which are quantum correlations, may violate the above inequality. In the case of a dual-mode vacuum compression (TMSV) state, which is an entangled state, it may have values such as Equations 7 and 8.
즉, 수학식 7 및 8과 같이 양자 상관관계인 얽힘 관계에 있는 두 개의 모드는 수학식 6의 부등식을 위배하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 이러한 가우시안 양자 상태의 경우 수학식 9와 같이 얽힘 메트릭(entanglement metric, EM)을 정의할 수 있다.That is, it can be confirmed that the two modes in the entangled relationship that are quantum correlations as in Equations 7 and 8 violate the inequality of Equation 6 . Therefore, in the case of such a Gaussian quantum state, an entanglement metric (EM) can be defined as in Equation 9.
얽힘 메트릭(EM) 값이 1보다 크다면 해당 양자 상태는 얽혀 있다고 말할 수 있다. 광-마이크로파 얽힘 상태의 경우, 광파의 소멸 연산자 대신 마이크로파의 소멸 연산자를 이용하여 수학식 10과 같은 얽힘 메트릭(EM)을 사용할 수 있다.If the entanglement metric (EM) value is greater than 1, then the quantum state is said to be entangled. In the case of the light-microwave entanglement state, the entanglement metric EM as in
마이크로파 입력이 없는 경우, 이중 모드 진공 압축(TMSV) 상태(수학식 1), 광-마이크로파 입출력 관계식(수학식 4)을 이용하면 수학식 10에 사용될 기댓값을 수학식 11과 같이 계산할 수 있다.When there is no microwave input, the expected value to be used in
따라서, 마이크로파 공진기(212)의 손실을 고려하지 않고, 마이크로파 입력이 존재하지 않는 경우, 변환 효율과 관계없이 광-마이크로파는 이중 모드 진공 압축(TMSV) 상태와 같은 얽힘 메트릭(EM) 값을 갖는 것을 확인할 수 있다.Thus, without taking into account the loss of the
양자 조명, 양자 고스트 이미징과 같은 양자 얽힘을 이용하는 양자 정보 프로토콜에서는 위상 민감 상관관계 값을 측정하여 양자 우위를 보인다. 본 발명의 실시예에 따른 광-마이크로파 얽힘 광자쌍 생성 장치(1)를 이용하면, 물체를 탐지 또는 이미징하는 파장을 마이크로파로 하여 더욱 먼 거리의 물체를 탐지하면서 광파의 광자를 보존하여 측정 정확도를 높일 수 있고, 더욱 효율적인 양자 정보 프로토콜이 구현될 수 있다.Quantum information protocols that use quantum entanglement, such as quantum illumination and quantum ghost imaging, show quantum dominance by measuring phase-sensitive correlation values. Using the light-microwave entangled photon
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광-마이크로파 얽힘 광자쌍 생성 장치를 이용한 양자 레이더를 나타내는 블록도이다.7 is a block diagram illustrating a quantum radar using an optical-microwave entangled photon pair generating apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 양자 레이더는 광-마이크로파 얽힘 광자쌍 생성 장치(1) 및 측정기(2)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 7 , the quantum radar may include an optical-microwave entangled photon
광-마이크로파 얽힘 광자쌍 생성 장치(1)는 상술한 바와 같이 아이들러 모드(IDL) 및 제2 시그널 모드(SGN2)를 생성할 수 있다. 아이들러 모드(IDL)는 측정기(2)에 전달되어 보존되고, 제2 시그널 모드(SGN2)는 피사체(3)를 향해 방사된다. 제2 시그널 모드(SGN2)는 피사체(3)에 반사되어 측정기(2)에 입사된다. The light-microwave entangled photon
측정기(2)는 아이들러 모드(IDL)와 피사체(3)에 반사된 제2 시그널 모드(SGN2)를 취합하여 피사체(3)의 위치, 모양을 감지할 수 있다. 측정기(2)는 아이들러 모드(IDL)와 제2 시그널 모드(SGN2)를 취합하여 피사체(3)의 이미지를 생성할 수 있다. 측정기(2)는 아이들러 모드(IDL)와 제2 시그널 모드(SGN2)를 취합하여 피사체(3)의 위치, 모양 등을 감지할 수 있는 다양한 구조로 구현될 수 있으며, 측정기(2)의 구조는 제한되지 않는다.The measuring device 2 may detect the position and shape of the subject 3 by combining the idler mode IDL and the second signal mode SGN2 reflected by the
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. The drawings and detailed description of the described invention referenced so far are merely exemplary of the present invention, which are only used for the purpose of explaining the present invention, and are used to limit the meaning or limit the scope of the present invention described in the claims. it is not Therefore, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be defined by the technical spirit of the appended claims.
1: 광-마이크로파 얽힘 광자쌍 생성 장치
10: 광파 얽힘 광자쌍 생성기
20: 광-마이크로파 변환기
110: 펌프 레이저
120: SPDC 결정
210: 혼합계
211: 이트륨 철 가넷(YIG) 결정
212: 마이크로파 공진기
213: 마그넷1: Light-microwave entangled photon pair generating device
10: Lightwave entanglement photon pair generator
20: optical to microwave converter
110: pump laser
120: SPDC decision
210: mixed system
211: Yttrium Iron Garnet (YIG) Crystal
212: microwave resonator
213: magnet
Claims (10)
상기 제1 시그널 모드를 마그논 모드로 변환하고, 상기 마그논 모드를 마이크로파인 제2 시그널 모드로 변환하여 방사하는 광-마이크로파 변환기를 포함하고,
상기 아이들러 모드와 상기 제2 시그널 모드는 광-마이크로파 양자 얽힘 광자쌍을 형성하는 광-마이크로파 얽힘 광자쌍 생성 장치.a light wave entanglement photon pair generator that divides the photons of the laser into a first signal mode and an idler mode having a quantum entangled state using a nonlinear crystal; and
and an optical-microwave converter that converts the first signal mode into a magnon mode, converts the magnon mode into a microwave second signal mode and emits,
and the idler mode and the second signal mode form an optical-microwave quantum entangled photon pair.
상기 광파 얽힘 광자쌍 생성기는,
전자의 에너지 층을 높게 만들어 광을 방출하는 펌프 레이저; 및
상기 펌프 레이저로부터 입사되는 광을 제1 방향으로 편광된 상기 제1 시그널 모드 및 제2 방향으로 편광된 상기 아이들러 모드로 나누는 자발매개변수하향 변환 결정을 포함하는 광-마이크로파 얽힘 광자쌍 생성 장치.According to claim 1,
The light wave entangled photon pair generator,
a pump laser that emits light by raising the energy layer of electrons; and
and a spontaneous parameter down-conversion crystal dividing the light incident from the pump laser into the first signal mode polarized in a first direction and the idler mode polarized in a second direction.
상기 광-마이크로파 변환기는,
상기 제1 시그널 모드를 스핀 파동으로 양자화하여 상기 마그논 모드로 변환하는 이트륨 철 가넷 결정; 및
상기 마그논 모드를 상기 제2 시그널 모드로 변환하는 마이크로파 공진기를 포함하는 광-마이크로파 얽힘 광자쌍 생성 장치.According to claim 1,
The optical-microwave converter,
a yttrium iron garnet crystal that quantizes the first signal mode into a spin wave and converts it into the magnon mode; and
and a microwave resonator for converting the magnon mode into the second signal mode.
상기 광-마이크로파 변환기는,
상기 마이크로파 공진기 내부에 외부 자기장을 형성하는 마그넷을 더 포함하고,
상기 이트륨 철 가넷 결정은 상기 마이크로파 공진기 내에서 상기 외부 자기장 분포가 최대가 되는 지점에 고정되는 광-마이크로파 얽힘 광자쌍 생성 장치.4. The method of claim 3,
The optical-microwave converter,
Further comprising a magnet for forming an external magnetic field inside the microwave resonator,
The yttrium iron garnet crystal is fixed at a point where the external magnetic field distribution is maximized in the microwave resonator.
이트륨 철 가넷 결정을 이용하여 상기 제1 시그널 모드를 마그논 모드로 변환하는 단계; 및
상기 마그논 모드를 마이크로파인 제2 시그널 모드로 변환하여 방사하는 단계를 포함하고,
상기 아이들러 모드와 상기 제2 시그널 모드는 광-마이크로파 양자 얽힘 광자쌍을 형성하는 광-마이크로파 얽힘 광자쌍 생성 방법.splitting the photons of the laser into a first signal mode and an idler mode having a quantum entangled state using a nonlinear crystal;
converting the first signal mode to a magnon mode by using a yttrium iron garnet crystal; and
Converting the magnon mode to a microwave second signal mode and emitting it,
wherein the idler mode and the second signal mode form an optical-microwave quantum entangled photon pair.
자발매개변수하향 변환 결정을 이용하여 펌프 레이저로부터 입사되는 광을 제1 방향으로 편광된 상기 제1 시그널 모드 및 제2 방향으로 편광된 상기 아이들러 모드로 나누는 광-마이크로파 얽힘 광자쌍 생성 방법.6. The method of claim 5,
A method of generating light-microwave entangled photon pairs by dividing light incident from a pump laser into the first signal mode polarized in a first direction and the idler mode polarized in a second direction using a spontaneous parametric down-conversion crystal.
상기 이트륨 철 가넷 결정의 스핀 파동으로 상기 제1 시그널 모드를 상기 마그논 모드로 변환하는 광-마이크로파 얽힘 광자쌍 생성 방법.6. The method of claim 5,
A method of generating an optical-microwave entangled photon pair for converting the first signal mode into the magnon mode with a spin wave of the yttrium iron garnet crystal.
상기 이트륨 철 가넷 결정을 마이크로파 공진기 내에 고정하고, 외부 자기장으로 상기 이트륨 철 가넷 결정의 자기장을 정렬한 후 서로 수식한 편광을 가진 2-주파수 결맞음 레이저를 주사하여 상기 마그논 모드를 생성하는 광-마이크로파 얽힘 광자쌍 생성 방법.8. The method of claim 7,
Optical-microwave generating the magnon mode by fixing the yttrium iron garnet crystal in a microwave resonator, aligning the magnetic field of the yttrium iron garnet crystal with an external magnetic field, and then scanning a two-frequency coherent laser having modified polarizations A method of generating entangled photon pairs.
상기 아이들러 모드를 보존하고, 상기 피사체에 반사된 상기 제2 시그널 모드를 취합하여 상기 피사체를 감지하는 측정기를 포함하고,
상기 아이들러 모드와 상기 제2 시그널 모드는 광-마이크로파 양자 얽힘 광자쌍을 형성하는 양자 레이더.By using a nonlinear crystal, the photons of the laser are divided into a first signal mode and an idler mode having a quantum entanglement state, the first signal mode is converted to a magnon mode, and the magnon mode is converted to a microwave second signal mode a light-to-microwave entangled photon pair generating device that radiates toward the subject; and
Preserving the idler mode, including a measuring device for detecting the subject by collecting the second signal mode reflected on the subject,
wherein the idler mode and the second signal mode form a photon-microwave quantum entangled photon pair.
상기 광-마이크로파 얽힘 광자쌍 생성 장치는,
상기 제1 시그널 모드를 스핀 파동으로 양자화하여 상기 마그논 모드로 변환하는 이트륨 철 가넷 결정; 및
상기 마그논 모드를 상기 제2 시그널 모드로 변환하는 마이크로파 공진기를 포함하는 양자 레이더.10. The method of claim 9,
The light-microwave entangled photon pair generating device,
a yttrium iron garnet crystal that quantizes the first signal mode into a spin wave and converts it into the magnon mode; and
Quantum radar including a microwave resonator for converting the magnon mode into the second signal mode.
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---|---|---|---|---|
KR102491162B1 (en) * | 2022-08-12 | 2023-01-19 | 국방과학연구소 | Temporal correlated single photon counting laser source modulated by entangled photon-pair source and lidar using the same |
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- 2020-12-01 KR KR1020200166084A patent/KR102619166B1/en active IP Right Grant
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KR102491162B1 (en) * | 2022-08-12 | 2023-01-19 | 국방과학연구소 | Temporal correlated single photon counting laser source modulated by entangled photon-pair source and lidar using the same |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
E902 | Notification of reason for refusal | ||
AMND | Amendment | ||
E90F | Notification of reason for final refusal | ||
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E601 | Decision to refuse application | ||
X091 | Application refused [patent] | ||
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GRNT | Written decision to grant |