KR20220154752A

KR20220154752A - 양자 얽힘 단일 광자 상태를 포함하는 다수의 광자들을 생성하기 위한 장치

Info

Publication number: KR20220154752A
Application number: KR1020227035565A
Authority: KR
Inventors: 로렌조 파베시; 발테르 모레티; 소니아 마추키; 다비데 파스토렐로; 마테오 파시니
Original assignee: 우니베르시타' 데글리 스투디 디 트렌토
Priority date: 2020-03-16
Filing date: 2021-03-10
Publication date: 2022-11-22
Also published as: EP4121817A1; CN115427880A; WO2021186292A1; US20230124723A1; IT202000005521A1

Abstract

양자-얽힘 단일 광자 상태들을 포함하는 복수의 광자들을 생성하기 위한 장치(100)로서, 상기 단일 광자는 2개의 양자 얽힘 자유도를 포함하며, 상기 장치(100)는 제1 생성 스테이지(210) 및 제2 생성 스테이지(220)를 포함하는 양자-얽힘 단일-광자 상태들을 포함하는 상기 복수의 광자들의 소스 장치(200)를 포함하며, 상기 제1 생성 스테이지(210)는 복수의 광자들을 생성하는 소스(10)를 포함하는 제1 요소(211) 및 제2 요소(212)를 포함하며, 상기 제1 요소(211)는 단일 광자의 2개의 자유도들 중 제1 자유도를 선택하고, 상기 제1 자유도는 오직 한 쌍의 값들을 포함하며, 그리고 상기 제2 요소(212)는 단일 광자의 2개의 자유도들 중 제2 자유도를 선택하고, 상기 제2 자유도는 오직 한 쌍의 값들을 포함하며, 그리고 상기 제2 생성 스테이지(220)는 단일 광자의 2개의 자유도들의 가간섭성 중첩을 생성하고, 상기 제2 생성 스테이지(220)는 상기 2개의 자유도들 중 제1 자유도 및 제2 자유도의 하나의 값을 선택하며, 상기 선택은 상기 2개의 자유도들 중 제2 자유도의 값을 결정하지 않는, 장치.

Description

양자 얽힘 단일 광자 상태를 포함하는 다수의 광자들을 생성하기 위한 장치

본 발명은 양자 얽힘 단일 광자 상태를 포함하는 광자 생성 장치에 관한 것이다.

생성된 광자는 단일 광자의 서로 다른 자유도 사이의 양자 얽힘을 나타내는 단일 광자 상태들을 포함한다. 즉, 장치는 단일 광자가 두 개의 양자 얽힘 자유도를 갖는 광자들을 생성한다.

최신 기술에서는 광자가 "양자 얽힘" 상태에 있는 광자 생성 장치들이 알려져 있다. 이러한 장치들은 고전력으로 공급되는 가간섭성(coherent) 광자 소스들에 의해 생성된 양자 얽힘 광자들의 소스들, 예를 들어 고전력에서의 레이저(light amplification by stimulated emission of radiation; LASER)의 소스들을 포함한다. 이러한 일관된 소스들은 양자 얽힘 상태의 광자 쌍(즉, "입자간 얽힘(interparticle entanglement)"을 생성하도록 조정된 광자 쌍)과 단일 광자가 양자 얽힘에서 2개의 자유도를 갖는 단일 광자들(즉, "입자내 얽힘(intraparticle entanglement)"을 생성하도록 조정된 단일 광자)을 모두 생성하도록 조정된다.

최신 기술은 "입자내 얽힌" 상태가 순수한 단일-광자 상태에서 시작하여 형성된다고 교시한다. 이 순수한 상태의 생성을 위해, "양자점(quantum dot)"이나 다이아몬드 결함과 같은 단일 광자 결정론적 소스 또는 단일 광자 "헤럴드(heralded)" 소스가 사용된다. "헤럴드" 단일 광자 소스는 비선형 결정에서 매개변수 프로세스들에 따라 2개의 시간적으로 얽힌 광자들을 생성하는 광자 소스를 포함한다. 예를 들어, 자발적인 비-선형 광학 프로세스들은 전력 레이저를 통해 유도되고, 이 프로세스들에서 단일 광자는 2개의 얽힌 광자들을 생성하는데 이는 과학 용어로 "자발적 매개변수 하향 변환(spontaneous parametric downconversion)"이라 불리고, 또는 2개의 광자들은 2개의 다른 얽힌 광자들을 생성하는데, 이 프로세스는 "4파장 혼합 현상"이라 불린다. 이러한 자발적 프로세스들은 -40dB정도의 효율성으로 불가능하며, 이는 1만 광자마다 생성되는 한 쌍이며, 이를 위해서는 전력 레이저가 필요하다.

그런 다음, 한 쌍의 광자들이 공간적으로 분리되고, 상기 광자 쌍의 한 광자가 검출되어 측정 장치에 다른 광자가 있음을 알린다. 이러한 방식으로, 얽힌 광자 쌍들을 생성하는 프로세스의 낮은 효율성으로 인해 두 개의 광자들이 있는 상태의 존재가 불가능하기 때문에 단일 광자의 존재에 대해 확신할 수 있다.

불리하게는, 가간섭성 광자 소스들은 매개변수 프로세스들을 위한 비선형 물질에서 양자-얽힘 상태의 광자들을 생성하기 위해 그러한 전력을 생산하는 데 많은 에너지를 소비한다.

이러한 가간섭성의 고전력 소스들은 소형화가 어렵다는 단점이 있다.

불리하게는, 선행 기술은 양자-얽힘 단일 광자 상태를 생성하기 위해 비간섭성 소스를 사용하는 방법을 교시하지 않는다.

불리하게는, 선행 기술은 양자-얽힘 단일 광자 상태를 생성하기 위해 그리고 그것의 존재를 검출하기 위해 비간섭성 소스를 사용하는 방법을 교시하지 않는다.

본 발명의 목적은 양자-얽힘 단일 광자 상태의 소스 장치를 실현하는 데 있다. 바람직하게는, 상기 장치는 저렴하다. 유리하게는, 상기 장치는 낮은 전력을 필요로 한다. 바람직하게는, 상기 장치는 공지된 장치들보다 낮은 에너지 소비량을 요구한다. 바람직하게는, 상기 장치는 공지된 장치들보다 낮은 방열을 수행한다. 바람직하게는, 상기 장치는 경량일 수 있다. 유리하게는, 상기 장치는 소형일 수 있다. 바람직하게는, 상기 장치는 소형화될 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 목적들 중 하나는 청구항 1에 따른 양자-얽힘 단일-광자 상태들의 소스 장치로 달성된다.

본 발명의 다른 목적은 양자-얽힘 단일 광자 상태들의 소스 장치를 포함하는 집적 광자 회로를 실현하는 데 있다.

본 발명에 따르면, 이 다른 목적은 청구항 21에 따른 집적 광자 회로로 달성된다.

다른 특징들은 종속항들에 포함되어 있다.

본 발명의 특징들 및 장점들은 첨부된 개략적인 도면들을 참조하여 예시적이며 제한되지 않는 것으로 이해되어야 할 하기 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 양자-얽힘 단일 광자 상태들의 소스 장치를 포함하는 양자-얽힘 단일 광자 상태들(즉 "입자내 얽힘")을 생성하고 검출하기 위한 장치, 그리고 양자-얽힘 단일 광자 상태들의 존재를 검증하기 위한 장치의 개략도이며, 여기서 상기 소스 장치는 비간섭성 광자 소스, 간섭 필터 및 편광자를 포함하는 제1 스테이지, 양자-얽힘 단일-광자 상태들을 생성하기 위한 제2 스테이지를 포함하며, 상기 검증 장치는 제1 준비 스테이지 및 제2 검출 스테이지를 포함한다.
도 2는 도 1의 방식에 비해 서로 다른 자유도를 사용하여, 서로에 대해 양자 얽힘의 단일-광자 상태들을 생성하는 대안적인 제2 생성 스테이지(220)의 도파관들과 집적 광학에서 실현되는 대안적인 구성 방식을 도시한다.
도 3a 내지 도 3d는 소스의 필터링되지 않은 스펙트럼과 필터링된 스펙트럼, 그리고 대응하는 자동-얽힘 스펙트럼 간의 비교를 도시한다.
도 4는 양자-얽힘 단일-광자 상태들을 생성하고 검출하기 위한 장치의 개략도를 나타내며, 여기서 검증 장치는 대안적이고 대안적인 제2 검출 스테이지를 포함한다.
도 5는 감쇠된 레이저 광자 소스와 편광자를 포함하는 소스 장치의 대안적인 제1 스테이지만을 보여준다.
도 6은 비간섭성 소스, 간섭 필터 및 q-플레이트를 포함하는 소스 장치의 대안적 제1 스테이지만 도시한다.
도 7은 비간섭성 소스, 간섭 필터, 편광자 및 q-플레이트를 포함하는 소스 장치의 대안적 제1 스테이지만 도시한다.

전술한 도면들 및 특히 도 1을 참조하면, 양자-얽힘 단일 광자 상태를 포함하는 다수의 광자를 생성하는 장치가 도시되어 있다. 본 발명에 따른 장치(100)는 양자-얽힘 단일 광자 상태를 포함하는 복수의 광자를 생성하는 소스 장치(200)를 포함한다. 즉, 단일-광자 양자-얽힘 상태들을 포함하는 각각의 단일 광자는 2개의 양자-얽힘 자유도를 포함한다.

바람직하게는, 장치(100)는 양자-얽힘 단일-광자 상태의 존재를 검증하는 장치(300)를 포함할 수 있다.

소스 장치(200)는 제1 생성 스테이지(210)와 제2 스테이지(220)를 포함한다.

제1 생성 스테이지(210)는 복수의 광자를 생성하며, 여기서 복수의 광자들의 각각의 광자는 정의된 상태를 포함한다.

제2 생성 스테이지(220)는 광자들의 출력 빔을 방출한다.

제2 생성 스테이지(220)로부터 나오는 빔의 각각의 단일 광자는 양자 얽힘에 있는 한 쌍의 독립적인 자유도를 포함하는 양자 상태를 포함한다. 이러한 상태들은 "입자 내 얽힘" 또는 "단일 광자 얽힘(single photon entanglement; SPE)" 상태라고 한다.

제1 생성 스테이지(210)는 제1 자유도를 선택하는 제1 요소(211)와, 제2 자유도를 선택하는 제2 요소(212)를 포함하는데, 상기 제1 자유도는 한 쌍의 값만을 포함하고, 상기 제2 자유도는 한 쌍의 값만을 포함한다.

상기 제1 요소(211)는 임의의 광자 소스(10)(가간섭성 및 비간섭성 모두), 그리고 이 바람직한 비-제한적인 예에서, 간섭 필터(20)를 포함하며, 상기 제2 요소(212)는 편광자(51)를 포함한다.

제2 생성 스테이지(220)는 2개의 자유도 중 제1 값 및 제2 값을 선택하고, 그 선택은 2개의 자유도 중 다른 자유도의 값을 결정하지 않는다.

검증 장치(300)는 소스 장치(200)에 의해 생성되는 단일 광자들의 검출에서의 제1 준비 스테이지(310) 및 단일 광자들의 제2 검출 스테이지(320)를 포함한다.

소스 장치(200)의 제1 스테이지(210)를 구체적으로 분석해본다.

소스(10)는 다수의 광자를 생성한다.

광자 소스(10)는 임의의 광자 소스(예를 들어 감쇠된 레이저), 또는 예를 들어 가시광선의 전자기 스펙트럼으로 방출되는 광원 램프 또는 발광 다이오드(약칭 LED) 또는 전자기 적외선 스펙트럼으로 방출되는 열원 또는 다른 비간섭성 소스들 같은 비간섭성 광원임이 강조된다.

유리하게는, 상기 비간섭성 소스들은 소형화될 수 있으며, 종래 기술의 집적 광 회로 내에서 이미 사용되고 있다. 예를 들어, LED들은 광학 회로에 통합될 수 있다. 예를 들어, 애벌런치 체제의 역편광 조건들에서 작동하는 단순한 p/n 접합부들은 광 회로들에 통합될 수 있다.

양자-얽힘 단일 광자 상태를 생성하기 위한 비간섭성 및 감쇠광의 소스(10)에 대해 도 1, 3, 4, 6, 7에 도시된 바와 같이, 검증 장치(300)의 시간 분해능 내에서 적어도 1차의 가간섭성을 유지할 필요가 있다. 소스 장치(200)가 양자-얽힘 단일 광자 상태를 생성하는 것을 검증하는 조건은 두 상태들의 가간섭성 중첩(coherent superposition), 즉 단일 광자의 자유도 간의 중첩이 유지된다는 것이다.

소스(10)가 비간섭성 소스일 때, 본 발명은 소스(10)의 다운스트림에 적용되는 간섭 필터(20)를 통해 양자 얽힘의 자유도의 1차 가간섭성을 유지한다. 이 경우, 제1 요소(211)는 비간섭성 소스(10)와 간섭 필터(20)를 모두 포함한다.

간섭 필터(20)와 편광자(51)는 단일 광자의 얽힘 상태(SPE)인, 단일 광자의 두 자유도의 가간섭성 중첩의 제2 생성 스테이지(220)의 입력에서 단일 광자들의 상태를 정의하는 역할을 한다.

대안적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 소스가 감쇠 레이저일 때, 양자 얽힘에서 자유도의 1차 가간섭성을 유지하기 위해 간섭 필터(20)를 사용할 필요는 없다. 이 대안예에서, 제1 요소(211)는 간섭 필터(20) 없이 감쇠 레이저 소스(10)를 포함한다.

바람직하게는, 소스(10)가 감쇠 레이저일 때, 광자 생성 주파수가 검출기에 의한 후속 측정에 사용되는 단일 광자 검출기들의 동적 범위보다 현저히 낮도록 소스(10)가 감쇠된다. 검출기의 동적 범위에 대한 대안으로, 검출기의 데드 타임(dead time)의 역인지의 여부를 예측할 수 있다. 동적 범위는 측정에 사용되는 검출기로 들어가는 광자 플럭스의 범위를 의미하며, 들어오는 광자들은 검출기의 선형 응답을 유발한다. 데드 타임은 검출기가 이전에 검출된 이벤트로 인해 입사 광자들에 민감하지 않은 시간 간격을 의미한다. 현저하게 낮다는 것(significantly lower)은 광자속을 의미하며 100배 정도 더 낮다는 것을 의미한다.

도 1, 3, 4, 6, 7에 도시된 바와 같이, 비간섭성 소스(10)의 경우, 간섭 필터(20)는 비간섭성 소스(10)의 파장 피크에 의존하는 특정 파장을 중심으로 하는 대역 통과 필터이다. 광자들의 파장은 소스(10)에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 테스트한 예에서, 소스(10)는 LED이고 간섭 필터(20)는 1 nm의 절반 높이에서의 폭(Full Width at Half Maximum; FWHM)을 나타내며, 531 nm의 파장에서 센터링된다. 사용된 소스(10)는 5mm 스루홀 LED이며, 그리고 도 3a에 도시된 바와 같이 FWHM에서 파장 피크가 517 nm이고 스펙트럼 폭이 30 nm인 가우스 곡선으로 근사될 수 있는 스펙트럼을 방출한다.

도 3a는 THz 단위로 측정된 주파수(101)의 함수로서 LED 소스의 W/W 단위로 측정된 정규화된 전력 스펙트럼(102)을 나타낸 그래프이다. 도 3a의 그래프는 실선(103)으로 표현되는, 필터 없이 측정된 전력 스펙트럼과, 점선(104)으로 표현되는 가우스로 매개변수화된 전력 스펙트럼을 보여준다.

FWHM 1 nm 선택 대역 간섭 필터(20)는 531nm의 특정 파장을 중심으로 한 또 다른 가우스 곡선으로 근사할 수 있다.

LED 소스(10)에 대한 간섭 필터(20)의 적용은 도 3c에 도시되어 있다. 도 3c는 THz 단위로 측정된 주파수(101)의 함수로서 LED 소스의 W/W 단위로 측정된 정규화된 전력 스펙트럼(102)을 나타낸 그래프이다. 도 3c의 그래프는 실선(103)으로 표시되는 측정된 간섭 필터(20)의 다운스트림 전력 스펙트럼과 점선(104)으로 표현되는 가우시안 전력 스펙트럼을 나타낸다.

유리하게는, 간섭 필터(20)는 검증 장치(300)의 측정 시스템의 시간 분해능 간격 내에서 소스(10)의 가간섭성을 증가시킬 수 있다.

사용되는 비간섭성 소스(10)의 파장 피크에 따라 다른 파장들을 중심으로 한 간섭 필터들을 사용할 수 있다. 유리하게는, 이 테스트에서 소스(10)의 파장 피크에 가까운 값을 취함으로써 보다 나은 통계를 얻을 수 있지만, 필요성과 사용된 소스에 따라 스펙트럼의 다른 부분들도 사용할 수 있다. 간섭 필터의 선택된 FWHM 1 nm 간격은 사용되는 비간섭성 및 감쇠 소스(10)의 양자 얽힘에서 자유도의 1차 가간섭성을 유리하게 증가시키는 것과 같다. 사용되는 비간섭성 및 감쇠된 소스(10)에 의해 방출되는 광자들의 파장에 의존하는 다른 간격들을 사용할 수 있다. 간섭 필터(20)의 폭은 측정 시스템의 시간 분해능에 따라 달라진다.

간섭 필터(20)의 특성은 단일 광자들을 카운팅하기 위해 광자들을 사용할 시스템의 커패시티, 즉 측정 시스템의 응답 시간에 의해 결정된다.

LED 소스(10)에 사용되는 동일한 간섭 필터(20)에 의해 531 nm에서 필터링된 360 nm 내지 2400 nm로 구성된 풀 스펙트럼 할로겐 램프와 같은 대안적인 비간섭성 및 감쇠 소스(10)를 제공할 수 있다.

생성은 전자기장의 제2 생성 스테이지(220)에 대한 입력 상태가 순수 상태들의 가간섭성 중첩인지 또는 순수 상태들의 통계적 혼합인지 여부에 의존하지 않는다.

소스 장치(200)는 단일 광자 상태들에 대해 별도로 작용하므로, 소스 장치(200)의 제1 생성 스테이지(210)에 의해 생성된 광자들의 다중도는 제2 생성 스테이지(220)에 의해 생성된 양자-얽힘 단일-광자 상태들의 생성에 영향을 미치지 않는다.

또한, 양자-얽힘 단일-광자 상태들의 생성은 제1 생성 스테이지(210)에 의해 생성된 광자들의 통계에 의존하지 않으므로, 열원, 가시광선 램프 또는 LED와 같은 광자들의 비간섭성 및 감쇠된 소스들(10)에 의해 생성될 수 있다.

소스(220)가 양자-얽힘 단일 광자 상태들을 생성하는 것을 검증하기 위한 조건은 단일 광자의 두 상태들의 가간섭성 중첩(coherent superposition), 즉 단일 광자의 자유도 간의 중첩이 유지된다는 것이다.

유리하게는, 양자 얽힘에 사용되는 자유도들 사이에서 1차 가간섭성이 유지된다는 전제 하에, 단일 광자의 자유도들 간의 양자 얽힘은 광자들의 가간섭성, 비간섭성 및 감쇠된 소스들(10)에 대해 발생한다.

유리하게는, 편광 필터와 간섭 필터(20)를 통해 적절히 필터링된 비간섭성 감쇠 소스들(10)은 결정론적 단일 양자점 소스 또는 고전력 레이저들에 의해 유도된 비-선형 광학 프로세스들에 의해 생성된 "헤럴드" 광자들의 소스와 같이 단일 광자소스에 의해 생성된 것들과 구별되지 않는 "입자내 얽힘"을 가진 단일 광자들의 플럭스를 생성할 수 있다.

획득된 스펙트럼의 가간섭성을 검증하기 위해, 도 4에 도시된 장치(100)의 설정이 사용되는데, 이는 검증 장치(300)의 제1 준비 스테이지(310)를 제외하고 실질적으로 도 1의 장치이며, 단지 2개의 검출기들(85, 86)만을 포함한다. 도 4에 도시된 이 대안적 장치는 광자들의 자동-얽힘을 측정하는데에도 유용하다. 즉 가간섭성 상태를 검증하는 데 유용하다.

도 3b는 도 3a의 소스(10)에 의해 생성된 광자들의 자동-얽힘 스펙트럼 그래프를 보여주며, 펨토초 단위의 지연 시간(106)의 함수로서 임의의 단위로 정규화된 신호(105)를 도시한다.

도 3d는 간섭 필터(20)의 다운스트림에서 도 3c의 소스(10)에 의해 생성된 광자들의 자동 얽힘 스펙트럼 그래프를 나타내며, 펨토초 단위의 지연 시간(106)의 함수로서 임의의 단위로 정규화된 신호(105)를 나타낸다.

정규화된 신호(105)는 두 광학 경로들(31, 32) 사이에 지연 시간을 제공하도록 20 μm의 전체 간격에 대해 소스 장치(200)의 제1 압전 병진 미러(piezoelectric translation mirror)(41)를 이동시킴으로써 측정된다. 제1 압전 병진 미러(41)에는 병진기에 장착된 압전 액추에이터인 압전 병진기가 장착된다. 도 3d의 필터링된 소스(10)의 스펙트럼의 필터링된 신호의 진동은 20μm의 간격에서 크게 감소하지 않으며, 이는 양자-얽힘 상태들에 대해 적어도 1차에서 가간섭성을 유리하게 유지할 수 있음을 보여준다는 것에 유의한다.

본 발명의 모든 예시적 실시예들에서, 상태들의 자유도는 제1 조건 및 제2 조건에 따라 선택되는데, 제1 조건에 따르면, 각 자유도에 대해 오직 한 쌍의 값들만이 가능하며, 그리고 제2 조건에 따르면, 두 자유도들 중 하나의 값이 다른 자유도의 값을 결정하지 않는다.

한 쌍의 얽힌 상태의 생성 스테이지의 입력에서, 광자의 정의된 상태를 생성해야 한다. 한 쌍의 얽힘 상태의 생성 스테이지에 대한 입력에서 광자의 정의된 상태는 사용된 자유도에 따라 변한다.

제2 요소(212)가 편광자(51)를 포함하는 도 1, 도 4 및 도 5에 도시되고 전술된 예시적 실시예들에서, 제1 자유도는 제1 요소(211)에 의해 선택된 방향이며, 제2 자유도는 제2 요소(212)에 의해 선택된 편광이다. 소스(10)는 감쇠된 레이저, 또는 간섭 필터(20)와 비간섭성인 소스이다.

양자-얽힘 단일-광자 상태들의 제2 생성 스테이지(220)의 예시적 실시예는 아래에서 논의되며, 양자 얽힘의 한 쌍의 자유도는 운동량(경로)과 편광 자유도이다.

이 예시적 실시예에서, 단일 광자는 예를 들어 공기 중 또는 2개의 도파관 내부에서 2개의 별개의 경로들(31, 32)을 따를 수 있다. 두 경로들은 단일 광자가 그것들 안에 들어오게되면 단일 광자가 한 경로에서 다른 경로로 이동하는 것을 허용하지 않는다. 예를 들어, 두 개의 도파관들은 커플러들(방향성 커플러)로서 동작하지 않도록 충분히 멀리 떨어져 배치되어야 하며, 그렇지 않으면 두 개의 경로들은 도 1에 도시된 바와 같이 서로에 대해 직교로 배치되어야 한다.

더 일반적으로, 단일 광자는 자유도 K 또는 다음의 두 개의 값들을 포함하는 경로를 포함한다 : 동작을 위해 구성된 장치의 2개의 경로들에 대한 2개의 전파 벡터들을 나타내는 제1 운동량(

) 및 제2 운동량(

).

제1 운동량(

)은 도 1의 수평 방향에 따른 전파 벡터이며, 그리고 제2 운동량(

)은 도 1의 수직 방향에 따른 전파 벡터이다.

단일 광자는 예를 들어 다음의 2개의 값들을 포함하는 편광(P)의 자유도를 포함한다 : 장치(200)가 동작하도록 구성된 기하학적 평면에 대한 수직 편광(V)과 수평 편광(H). 대안적인 가능성은 다른 한 쌍의 직교 편광면(± 45°)을 고려하는 것이다.

일반적으로 양자 상태를 설명하기 위해 Dirac formalism 또는 브라켓 표기법을 사용하여 :

은 제1 운동량(

) 및 수직 편광(V)을 포함하는 광자 상태를 나타내며,

은 제1 운동량(

) 및 수평 편광(H)을 포함하는 광자 상태를 나타내며,

은 제2 운동량(

) 및 수직 편광(V)을 포함하는 광자 상태를 나타내며,

은 제2 운동량(

) 및 수평 편광(H)을 포함하는 광자 상태를 나타내며,

또한 다음 사항이 적용되어야 한다 :

,

여기서 직교 편광의 조건이 표현되며, 그리고

독립 경로들의 조건이 표현된다.

이 예시적 실시예에서, 단일 광자의 양자 얽힘 상태들은 운동량(경로)과 편광이며, 일반적으로 다음과 같이 표현된다.

;

여기서,

및

는 운동량들이고,

및

는 편광들이며,

및

은 제1 운동량(

) 또는 제2 운동량(

)을 나타내며,

및

은 수직 편광 V 및 수평 편광 H를 나타낸다.

도 1에서, 제1 운동량은 수평 경로(31)로 표현되고, 제2 운동량은 수직 경로(32)로 표현된다. 제1 조건과 제2 조건이 준수되는 한, 다른 경로들이 선택될 수 있다.

제1 조건과 제2 조건을 준수하는 자유도는 제1 자유도인 방향과 제2 자유도인 편광이다.

보다 일반적으로, 설정 내에서, 즉 장치(200)의 작동 구성 내에서, 2개의 가능한 경로들을 선택함으로써 운동량에 대해 2-상태 베이스는

로 정의되고, 편광에 대해 2-상태 베이스는

로 정의된다. H _M 는 제1 큐비트와 연관되며, H _P 는 제2 큐비트와 연관된다. 2개의 큐비트들의 공간은 4차원 Hilbert 공간

으로 표현될 수 있다.

예를 들어, 제1 스테이지(210)는 간섭 필터(20)의 다운스트림에 배치되고 간섭 필터(20)에 의해 전송되는 광자들을 수집하는 입력 광섬유(30), 입력 광섬유(30)에 의해 전송되는 광자들을 수집하고 제1 생성 스테이지(210)의 편광자(51)에 시준된 광자들을 전송하는 입력 시준기(37)를 포함한다.

유리하게는, 입력 광섬유(30)와 입력 시준기(37)는 더 나은 통계를 위해 간섭 필터(20)를 떠나는 광자 빔을 시준한다.

도 1에 도시된 예시적 실시예에서, 광자들의 제1 생성 스테이지(210)는 편광 방향(예를 들어, 제1 스테이지(210)의 소스(10)에 의해 전송되는 광자 빔의 수직 편광(V))을 선택하는 Glan-Thomson 유형의 편광자(51)(GTP, "Glan-Thomson Polarizer"의 약자)를 포함한다.

제2 생성 스테이지(220)는 편광자(51)를 떠나는 광자들을 동일한 확률로 2개의 서로 다른 광학 경로들을 향해 지향시키는 제1 빔 스플리터(61), 제1 운동량(

)에 따른 수평 경로(31) 및 제2 운동량(

)에 따른 수직 경로(32)를 포함한다.

제2 생성 스테이지(220)는 두 경로들(31, 32) 중 하나를 가로채도록 구비되고 두 경로들(31, 32) 사이의 상대적 위상 변위(

)를 제어하는 제1 압전 병진 미러(41)를 포함한다. 도 1에서, 제1 압전 병진 미러(41)는 수평 경로(31)를 가로막도록 제공된다.

바람직하게는, 제2 단계는 또한 2개의 경로들(31, 32) 중 하나를 가로막도록 구비된 제1 미러(71)를 포함한다. 도 1에서, 제1 미러(71)는 수직 경로(32)를 가로막고 그것들의 방향을 변경하는 수직 경로(32)의 광자들을 반사한다. 유리하게는, 제1 미러(71)의 존재 또는 다른 분산들에 의해 축적된 위상 변위는 제1 압전 병진 미러(41)의 움직임에 의해 수정되고 보상된다.

그 후, 2개의 경로들(31, 32)은 검증 장치(300)의 제2 빔 스플리터(62)를 향해 지향된다.

제1 빔 스플리터(61) 및 제2 빔 스플리터(62) 및 제1 압전 병진 미러(41) 및 제1 미러(71)는 소위 마하 젠더 간섭계(Mach Zehnder interferometer)(230)를 형성한다.

마하 젠더 간섭계(230)는 Bloch 구에서 큐비트 운동량의 회전을 담당한다.

제1 빔 스플리터(61), 제2 빔 스플리터(62) 및 제3 빔 스플리터(63)는 단일 광자들이 하나의 경로(31, 32)와 다른 경로 사이에서 동일한 확률로 지향되는 50/50 유형이다.

소스 장치(200)의 제2 스테이지(220)는 제1 반파장판(half-wave plate; HWP)(91) 및 제2 반파장판(92)을 포함한다. 각 반파장판(91, 92)은 두 개의 경로들(31, 32) 중 하나의 광자의 편광을 회전시킨다.

제1 반파장판(91)은 제1 빔 스플리터(61) 및 제1 압전 병진 미러(41) 사이의 수평 경로(31)에 배치된다. 제1 반파장판(91)은 기하학적 평면 x-z 상에서 광자의 편광을 90 sexagesimal degree만큼 회전시킨다.

제2 반파장판(92)은 제1 미러(71)(제공되는 경우), 그렇지않으면 제1 빔 스플리터(61)와 제2 빔 스플리터(62) 사이에 수직 경로(32)상에 배치된다. 제2 반파장판(92)은 기하학적 평면 x-z 상에서 광자의 편광을 90 sexagesimal degree만큼 회전시킨다.

소스 장치(200)의 제2 스테이지(220)는 서로에 대한 양자 얽힘에서 운동량과 편광 상태의 자유도들을 포함하는 SPE 광자들을 생성한다.

바람직하게는, 장치(300)는 소스 장치(200)의 제2 스테이지(220)에 의해 생성된 양자-얽힘 단일-광자 상태들을 수집하는 제2 빔 스플리터(62)를 포함하는 제1 준비 스테이지(310)를 포함한다.

제1 준비 스테이지(310)는 제2 압전 병진 미러(42), 바람직하게는 제2 미러(72) 및 제3 빔 스플리터(63)를 포함하는 제2 마하 젠더 간섭계(330)를 포함한다. 제2 압전 병진 미러(42)는 제2 압전 병진 미러와 함께 장착된다.

제2 마하 젠더 간섭계(330)의 제2 빔 스플리터(62)는 서로 직교하는 두 개의 서로 다른 경로들에서 동일한 확률로 광자들을 지향시킨다. 제2 마하 젠더 간섭계(330)의 제3 빔 스플리터(63)는 서로 직교하는 두 개의 서로 다른 경로들에서 동일한 확률로 광자들을 지향시킨다. 각각의 반파장판(93, 94)은 이러한 마지막 2개의 서로 다른 경로들 각각에 위치하며, 각각의 경로와 수직한 기하학적 평면 x-z에서 0과 π 라디안 사이의 미리 설정된 편광각(θ)만큼 해당 운동량의 광자의 편광을 회전시킨다.

각 출력 경로는 검증 장치(300)의 제2 검출 스테이지(320)의 추가적인 제2 편광 빔 스플리터(62', 62'')로 광자를 지향시킨다. 이러한 편광 빔 스플리터들은 광자의 편광 상태에 따라 광자를 경로 또는 다른 경로로 유도한다.

단일 광자를 검출하기 위해, 검증 장치(300)는 제2 검출 스테이지(320)를 포함한다. 제2 검출 스테이지(320)는, 광자 카운팅 모드로 동작하고 제1 준비 스테이지(310)로부터 도달하는 광자들을 카운팅하도록 어레이를 형성하도록 배열된 복수의 고체-상태 광 검출기들(81-84), 즉 광자 카운팅 모드로 동작하는 고체-상태 광 검출기들(81-84)의 어레이를 포함한다. 고체-상태 광검출기 어레이(81-84)의 고체 상태 광검출기(81-84)는 예를 들어 단일-광자 광검출기 다이오드(SPAD, "Single Photon Avalanche Diode"의 약자) 또는 초전도 나노와이어 디바이스이다. 광검출기 어레이(81-84)는 스테이지(300)에서 정의된 서로 다른 경로들로부터 도착하는 단일 광자들을 카운트한다.

제2 검출 스테이지(320)는 각 출력 경로에 대한 출력 시준기들(321-324)과 각 출력 시준기(321-324)에 대한 출력 광섬유들(325-328)을 포함한다. 각각의 출력 시준기(321-324)는 제2 빔 스플리터(62', 62'')의 두 출력 경로들의 각각의 경로로부터 광자들을 수신한다. 각 출력 광섬유(325-328)는 광자를 각각의 광검출기(81-84)로 전송하여, 장치(100)의 컴퓨터(400)에 의해 광자를 검출한 광검출기(81-84)가 기록되도록 하고, 여기서 컴퓨터(400)는 광검출기들(81-84)의 카운트들을 저장하기 위한 적어도 하나의 메모리(401) 및 적어도 하나의 메모리(401)에 저장된 광검출기들(81-84)의 카운트들을 처리하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서(402)를 포함한다.

단일 광자의 양자 상태들의 자유도 값들을 측정하기 위해, 컴퓨터(400)는 광검출기 어레이(81-84)의 단일 고체-상태 광검출기들에 의해 검출되는 단일 광자들을 카운트한다.

그런 다음, 컴퓨터(400)는 상태들이 양자 얽힘인지 여부를 판단하기 위해 잘 알려져있고 일반적으로 허용되는 테스트인 Bell의 부등식 위반의 관점에서 양자 얽힘을 평가하는데, 이와 관련하여 1964년에 Physics, volume 1, pages 195-200 (DOI:10.1103/PhysicsPhysiqueFizika.1,195)에 게재된 John Stewart Bell의 과학 논문 "On the Einstein Podolsky Rosen (EPR) paradox"를 참조한다.

Bell 부등식의 위반은 생산 장치(200)가 양자 얽힘, 즉 "입자내 얽힘"의 단일 광자들의 상태들을 생성한 것을 보장한다. 특히, 테스트는 Clauser-Horne-Shimony-Holt(CHSH, Physical Revies Letters 23, 880-884, 1969년의 "Proposed experiment to test local hidden-variable theories" 논문의 저자들의 성들로 형성된 약어)의 부등식의 위반을 확인한다.

또는 대안적으로, 장치(100)는 예를 들어 종래 기술의 다른 방법들을 사용하여, 단일 광자의 다른 자유도를 사용하여 양자-얽힘 단일-광자 상태들을 생성하고 검출하기 위해 다른 요소들을 통해 구성된다.

단일-광자 얽힘 상태들의 제2 생성 스테이지(220)의 대안예는 궤도 각운동량의 자유도를 운동량의 자유도 또는 편광의 자유도와 양자적으로(quantistically) 얽히게 하는 것이 가능하다는 것을 제공한다.

단일 광자의 광학 경로들과 같은 단일 광자의 다른 자유도들을 양자적으로 얽는 것이 가능하며, 이는 단일 광자 얽힘 생성 스테이지(200)의 추가 실시예로서 아래에서 논의된다.

도 2a 및 도 2b에 도시된 추가적인 실시예는 대안적 생성 스테이지(200)에 관한 것으로, 단일 광자의 광 경로들의 두 자유도 사이의 양자 얽힘에 관한 것이다. 도 2a는 제1 생성 스테이지(210)를 나타내고, 도 2b는 제2 생성 스테이지(220)를 나타낸다. 생성 스테이지(200)의 추가적인 대안적 실시예에서, 단일 광자는 각각의 4개의 도파관들(33-36) 내에서 4개의 개별 광학 경로들을 따를 수 있다. 4개의 도파관들(33-36)은 단일 광자가 그것들 내부에 있으면 단일 광자가 한 도파관에서 다른 도파관으로 이동하는 것을 허용하지 않는다. 예를 들어 도파관들(33-36)은 커플러들 또는 빔 스플리터들로서 동작하지 않도록 충분히 멀리 배치되어야 한다. 이 경우, 상태들의 Hilbert 공간

은 2개의 자유도들의 4개의 상태들을 나타내는 4개의 직교 벡터들에 의해 정의되며, 벡터들의 직교성은 하나의 광자가 한 도파관(33-36)에서 다른 도파관으로 이동하는 것을 허용하지 않는 조건을 나타낸다.

대안적으로, 도파관들(33-36)은 광섬유들일 수 있다.

4개의 도파관들(33-36)은 본 실시예에서 서로 평행하게 배열되어 수평 기하학적 평면상에 놓여 있는 4개의 광학 경로들을 나타낸다. 우리가 중심선이라고 부를 4개의 가이드들에 평행한 기하학적 선은 기준으로 사용되며, 다음과 같은 방식으로 4개의 가이드들을 식별할 수 있다 : 중심선보다 높은 제1 도파관(33), 중심선보다 높은 제2 도파관(34), 기하학적 선보다 낮은 제3 도파관(35), 중심선보다 낮은 제4 도파관(36). 제1 상부 가이드(33)는 중심선에서 멀리 떨어져 있다. 제2 상부 가이드(34)는 중심선 근처에 있다. 제1 하부 가이드(35)는 중심선 근처에 있고, 제2 하부 가이드(36)는 중심선에서 멀리 떨어져 있다. 가이드들에 삽입된 단일 광자의 한 쌍의 상태들의 자유도들은 제1 상태에 대해 상부(T) 및 하부(B)로 2개이고, 그리고 제2 상태에 대해 근방(N) 또는 원방(F)로 2개이며, 여기서 상부, 하부, 근방, 원방은 현재 예시의 기하학적 평면 상의 중심선에 대한 4개의 도파관들(33-36)의 기하학적 배치를 의미한다.

광학 경로를 결정하기 위해, 값은 두 자유도에 모두 할당되어, 상태들의 공간에서 직교 기저(orthonormal basis)를 결정한다 :

제1 도파관(33)을 통해 왼쪽에서 오른쪽으로 전달되는 광자의 상태를 나타내는

: 상부 및 원방,

제2 도파관(34)을 통해 왼쪽에서 오른쪽으로 전달되는 광자의 상태를 나타내는

: 상부 및 근방,

제3 도파관(35)을 통해 왼쪽에서 오른쪽으로 전달되는 광자의 상태를 나타내는

: 하부 및 근방,

제4 도파관(36)을 통해 왼쪽에서 오른쪽으로 전달되는 광자의 상태를 나타내는

: 상부 및 원방.

제1 생성 스테이지(210)의 제1 요소(211)는 비간섭성일 수 있는 소스(10)를 포함하고, 또한 간섭 필터(20)나 간섭 필터(20)없이 감쇠된 레이저 소스를 포함한다.

소스(10)에 의해 방출된 광자는 4개의 도파관들(33-36) 중 하나에 연결되어, 광자의 초기 상태를 결정한다.

이러한 의미에서, 4개의 도파관들(33-36)은 단일 광자의 2개의 자유도들의 제1 자유도 및 제2 자유도를 모두 선택하므로, 4개의 도파관들(33-36)은 제1 생성 스테이지(210)의 제1 요소(211) 및 제2 요소(212) 모두를 나타내며, 상기 제1 자유도는 단일 쌍의 값들을 포함하고, 상기 제2 자유도는 단일 쌍의 값들을 포함한다.

제2 생성 스테이지(220)는 전용 광 경로들을 통해 구현된다. 예를 들어, 제1 가이드(33)로부터 오는 단일 광자들을 동일한 확률로 빔 스플리터(61)의 다운스트림에 있는 제1 상부 가이드(33) 및 제2 하부 가이드(34)로 지향시키도록 구성된 커플러(직접 커플러) 또는 50/50 빔 스플리터(61)를 배치시킴으로써, 가이드(33)에 초기에 삽입된 단일 광자의 상태, 즉 상태

는

가 된다.

도 2b에 도시된 바와 같이, 빔 스플리터(61)의 다운스트림에 가이드(34)와 가이드(35) 사이의 위치 교환기(45)를 도입함으로써 제2 생성 스테이지(220)의 출력에서 양자 얽힘의 단일 광자 최종 상태

를 생성할 수 있다. 이러한 방식으로, 우측의 가이드들로부터의 출력에서의 상태는 양자 얽힘이 될 것이다 :

왼쪽에서 입력에서 광자가 상태

에 있을 때, 광자는 가이드(33)에 진입한다. 이러한 대안예에서, 제2 생성 스테이지(220)는 전술한 바와 같이 배치된 빔 스플리터(61) 및 위치 교환기(45)를 포함한다.

대안적으로, 가이드들(33-36) 중 어느 하나를 입력 도파관으로 선택할 수 있다. 이 대안예에서, 제2 생성 스테이지(220)에 빔 스플리터(61)와 위치 교환기(45)를 적절히 배치할 필요가 있다.

보다 일반적으로, 그리고 여전히 대안적으로, 상기 제1 생성 스테이지(210)의 제1 요소(211) 및 제2 요소(212)가 서로에 대한 기하학적 상관관계를 식별할 수 있도록 조정된 기하학적 구성에 따라 서로에 대해 배열된 4개의 도파관들(33-36)을 포함하도록 제공하는 것이 가능하며, 이 때, 그러한 식별은 단일 광자의 상기 두 자유도들에 값을 할당하여 힐베르트 공간

인 상태 공간에서 직교 기저를 결정한다.

대안적으로, 위에 명시된 제1 조건과 제2 조건이 준수된다면, 위치 자유도들을 다른 관측 가능한 것들로 대체할 수 있다. 예를 들어, 4개의 광학 경로들이 필요하지 않지만 4개의 직교 상태를 갖는 Hilbert 공간이면 충분하기 때문에, 근방(N)과 원방(F)의 자유도의 쌍은 도파관의 단일 광자의 한 쌍의 전송 모드들로 대체될 수 있다. 제1 생성 스테이지(210)에서 생성된 정의된 입력 상태에서 시작하여, 제1 예시적 실시예 또는 제2 예시적 실시예의 제2 생성 스테이지(220)에서 설명한 바와 같은 프로세스에 따라 단일 광자의 2개의 자유도들의 가간섭성 중첩을 달성하는 것으로 충분하다. 이 대안예에서, 제1 생성 스테이지(210)의 제1 요소(211) 및 제2 요소(212)는 두 개의 멀티-모드 도파관들을 포함하며, 단일 광자 상태들의 양자 얽힘을 달성하기 위한 자유도들은 도파관에서의 광자의 위치와 전파 모드이다. 이 대안예에서, 2개의 멀티모드 도파관들은 서로에 대한 기하학적 상관관계를 식별할 수 있도록 조정된 기하학적 구성으로 서로에 대해 배열되며, 그러한 식별은 단일 광자의 상기 두 자유도들 중 제1 자유도에 값을 할당할 수 있게 한다. 제2 자유도의 값은 상기 두 개의 멀티 모드 도파관들 각각에서 단일 광자의 한 쌍의 전송 모드들을 통해 정의된다. 유리하게는, 이 대안예는 장치(100)를 소형화하는 데 특히 유용하다.

대안적으로, 제1 조건과 제2 조건을 준수하고 빔 스플리터 및 광학 경로들 사이의 위치 교환기 대신에 빔 스플리터의 등가물과 시간 지연 시스템의 등가물로 이루어진 것을 사용하는 광자의 한 쌍의 상태들의 두 쌍의 자유도들을 선택할 수 있다.

대안적으로, 제1 조건 및 제2 조건을 준수하는 에너지 및 시간을 두 개의 자유도들로 선택할 수 있으며, 여기서 제1 자유도의 값은 간섭 필터(20)에 의해 정의되어 에너지를 선택하고, 제2 자유도의 값은 광학 지연선(optical delay line)에 의해 설정된 시간 지연에 의해 정의되며, 상기 광학 지연선은 광자가 제2 생성 스테이지(220)에 진입하는 순간부터 시간 축을 정의하는 예를 들어 트리거와 같은 전자 타이밍 회로를 포함한다.

대안적으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 조건 및 제2 조건을 준수하는 편광 및 각운동량을 2개의 자유도들로 선택할 수 있으며, 여기서 제1 자유도는 편광이고 제2 자유도는 Q-플레이트에 의해 정의된다.

대안적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 조건 및 제2 조건을 준수하는 운동량 및 각운동량을 2개의 자유도들로 선택할 수 있으며, 여기서 제1 자유도는 방향이고 제2 자유도는 Q-플레이트(52)에 의해 정의된다.

Q-플레이트는 정의된 원형 편광을 가진 광자로부터 획득된 정의된 궤도 각운동량을 가진 광자를 생성하는 광학 디바이스이다.

대안적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, Q-플레이트(52)는 제1 생성 스테이지(210)에서 편광자(51)를 대체할 수 있다.

대안적으로, 제1 조건과 제2 조건을 준수하는 운동량과 시간을 2개의 자유도로 선택하는 것이 가능한데, 여기서 제1 자유도는 방향이고, 제2 자유도는 광자가 생성 장치(200)의 제2 스테이지(220)에 진입하는 순간으로부터의 시간축을 정의하는 예를 들어 전자 타이밍 회로(예를 들어, 트리거)와 같은 광학 지연선에 의해 확립된 시간 지연이다. 이러한 대안예에서, 소스(10)는 위에서 설명한 바와 같이 감쇠된 레이저 또는 비간섭성 소스일 수 있지만, 소스(10)는 선택된 광 경로들 사이의 시간적 가간섭성을 유지하기 위해 짧은 펄스들로 펄스되어야 한다. 비간섭성 소스(10)의 경우 간섭 필터(20)는 운동량의 가간섭성을 유지한다.

대안적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 검증 장치(300)가 제1 준비 스테이지(310)를 포함하지 않고 대안적인 제2 검출 스테이지(320)가 대신 제공되는 장치(100)를 고려할 수도 있다.

제2 대안적 검출 스테이지(320)는, 예를 들어 전술한 바와 같은 2개의 SPAD들과 같은 2개의 고체-상태 광 검출기들(85 및 86)로 향하는 2개의 직교 경로들을 따라 동일한 확률로 단일 광자를 지향시키는 제2 빔 스플리터(62)를 포함한다.

대안적인 제2 검출 스테이지(320)는 2개의 출력 시준기들(331, 333)과 2개의 출력 도파관들(332, 334)을 포함한다. 각 출력 시준기(331, 333)는 제2 빔 스플리터(62)의 두 출력 경로들의 각각의 경로로부터 광자를 수신한다. 각 출력 광섬유(332, 334)는 광자를 각각의 광검출기(85, 86)에 전송하여 광자가 컴퓨터(400)에 의해 검출될 수 있게 하며, 상기 컴퓨터(400)는 2개의 광검출기들(85, 86)의 데이터를 저장하기 위한 적어도 하나의 메모리(401) 및 상기 적어도 하나의 메모리(401)에 저장된 2개의 광검출기들(85, 86)의 데이터를 처리하도록 조정된 적어도 하나의 프로세서(402)를 포함한다.

보다 대안적으로, 본 발명은 소형화될 수 있고, 그 개별적인 구성요소들은 예를 들어 유리, 리튬니오베이트(lithium niobate), Si, SiN, SiON, InP 또는 기타 화합물 반도체들로 이루어진 모놀리식(monolithic) 또는 하이브리드 기술 플랫폼 상에 형성되는 집적 광자 회로에 통합될 수 있다. 본 발명의 소스 장치(200)를 포함하는 집적 회로는 집적 회로의 도파관들을 통해 전달될 수 있는 광 대역의 광자들을 유리하게 방출하는 LED인 것이 바람직한 광자 소스(10)를 포함한다. 전술한 바와 같이 경로와 편광 상태를 상관시키는 대신, 장치의 소형화에 유리하도록 모드 상태 및 경로 상태와 같은 다른 상태들을 상관시키는 것이 가능하다.

대안적으로, 광자 집적 회로는 또한 검증 장치(300)를 포함할 수 있다.

대안적으로, 광자 집적 회로는 제2 생성 스테이지(220)만을 통합한다. 즉, 장치(100)는 제2 생성 스테이지(220)가 집적 광자 회로에 통합되는 것을 제공한다.

대안적으로, 광자 집적 회로는 또한 회로 외부의 소스(10)를 뺀 제1 생성 스테이지(210)를 통합한다. 즉, 소스(10)를 뺀 제1 생성 스테이지(210)는 집적 광자 회로에 통합된다.

유리하게는, 비간섭성 LED 소스는 높은 전력으로 전력을 공급받을 필요가 없으므로, 통합 장치의 무게, 치수, 비용, 에너지 소비, 방열을 감소시킨다.

유리하게는, 양자-얽힘 단일 광자 상태들의 비간섭성 소스는 암호학을 위한 난수의 양자 생성기 또는 통신 보안을 위한 액세스 키의 양자 분배기 또는 양자 정보 전송을 위한 지원으로서 애플리케이션을 찾을 수 있다.

유리하게는, 양자-얽힘 단일 광자 상태들의 생성은 양자 얽힘에서 두 개의 광자들을 생성할 필요가 없기 때문에 장치의 에너지 효율을 증가시킬 수 있다.

유리하게는, "입자내 얽힘"은 결잃음(decoherence) 현상을 거의 겪지 않는다(P&Sardak, D.의 "Rubustness measure of hybrid intra-particle entanglment, discord, and classical correlation with initial Werner state", Quantum Information Processing 15, 791-807 (2016) 참고).

유리하게는, 장치의 소형화 및 저소비 및 저중량으로 인해, 항공 전자 공학, 우주, 자동자 및 운송 차량 산업, 사물 인터넷(약칭 IoT), 소비자 전자제품 및 데이터가 안전하게 전송되어야 하는 모든 응용 분야에서 응용할 수 있다.

대안적으로, 굳이 광자의 광학 경로(31, 32)를 압축할 필요가 없기 때문에 소스 장치(200)의 제2 생성 스테이지(220)가 제1 미러(71)를 포함하지 않는 것을 제공할 수 있다.

유리하게는, 광섬유들 외부에서 광자들을 취급하는 소스 장치(200) 및 검증 장치(300)의 모든 요소들은 외부 간섭을 피하기 위해 다크 박스 내에 보관된다.

이와 같이 고안된 발명은 모두 동일한 발명 개념에 속하는 많은 수정들과 변형이 가능하다. 또한, 모든 세부 사항은 동등한 기술적 요소들로 대체될 수 있다. 실제로, 사용되는 재료들과 그 치수는 기술 요구사항에 따라 임의의 유형일 수 있다.

Claims

양자-얽힘 단일 광자 상태들을 포함하는 복수의 광자들을 생성하기 위한 장치(100)로서,
상기 단일 광자는 2개의 양자 얽힘 자유도를 포함하며,
상기 장치(100)는 제1 생성 스테이지(210) 및 제2 생성 스테이지(220)를 포함하는 양자-얽힘 단일-광자 상태들을 포함하는 상기 복수의 광자들의 소스 장치(200)를 포함하며,
상기 제1 생성 스테이지(210)는 복수의 광자들을 생성하는 소스(10)를 포함하는 제1 요소(211) 및 제2 요소(212)를 포함하며,
상기 제1 요소(211)는 단일 광자의 2개의 자유도들 중 제1 자유도를 선택하고, 상기 제1 자유도는 오직 한 쌍의 값들을 포함하며, 그리고
상기 제2 요소(212)는 단일 광자의 2개의 자유도들 중 제2 자유도를 선택하고, 상기 제2 자유도는 오직 한 쌍의 값들을 포함하며, 그리고
상기 제2 생성 스테이지(220)는 단일 광자의 2개의 자유도들의 가간섭성 중첩을 생성하고,
상기 제2 생성 스테이지(220)는 상기 2개의 자유도들 중 제1 자유도 및 제2 자유도의 하나의 값을 선택하며, 상기 선택은 상기 2개의 자유도들 중 제2 자유도의 값을 결정하지 않는, 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 2개의 자유도들 중 하나는 편광인, 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 2개의 자유도들 중 다른 하나는 운동량 또는 방향인, 장치(100).
청구항 1 내지 청구항 3 중 하나 이상에 있어서,
상기 소스(10)는 LED 발광 다이오드, 가시광선 램프, 적외선 열원을 포함하는 리스트에 포함된 비간섭성 소스인, 장치(100).
청구항 4에 있어서,
상기 제1 요소(211)는 상기 소스(10)의 다운스트림에서 상기 소스(10)에 의해 생성된 다수의 광자들의 광경로를 따라 배치된 간섭 필터(20)를 포함하는, 장치(100).
청구항 5에 있어서,
상기 간섭 필터(20)는 비간섭성 소스(10)의 파장 피크에 의존하는 특정 파장을 중심으로 하는 대역 통과 필터인 것을 특징으로 하는, 장치(100).
청구항 1, 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
광자들의 상기 소스(10)는 감쇠된 레이저인 것을 특징으로 하는, 장치(100).
청구항 1 내지 청구항 7 중 한 항에 있어서,
상기 제1 생성 스테이지(210)는 상기 소스(10)에 의해 생성된 다수의 광자들의 광학 경로를 따라 상기 제1 요소(211)의 다운스트림에 그리고 상기 제2 요소(212)의 업스트림에 배치된 적어도 하나의 광섬유(30)를 포함하고,
상기 적어도 하나의 광섬유(30)는 상기 제1 요소(211)에 의해 전달된 광자들을 수집하여 상기 제2 요소(212)에 전달하는, 장치(100).
청구항 8에 있어서,
상기 제1 생성 스테이지(210)는 상기 소스(10)에 의해 생성된 복수의 광자들의 광학 경로를 따라 상기 적어도 하나의 광섬유(30)의 다운스트림에 배치된 적어도 하나의 시준기(37)를 포함하고,
상기 적어도 하나의 시준기(37)는 상기 적어도 하나의 입력 광섬유(30)에 의해 전달된 광자들을 수집하여, 제2 요소(212)에 시준된 대로 전달하는 것을 특징으로 하는, 장치(100).
청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 요소(212)는 편광자(51)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치(100).
청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 요소(211)는 편광자(51)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치(100).
청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 요소(212)는 q-플레이트(52)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치(100).
청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 요소(212)는 광 지연선(optical delay line)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치(100).
청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 생성 스테이지(220)는 :
상기 제2 요소(212)로부터 나오는 복수의 광자들의 광학 경로를 따라 상기 제2 요소(212)의 다운스트림에 배치된 적어도 하나의 제1 빔 스플리터(61)로서, 상기 적어도 하나의 제1 빔 스플리터(61)는 상기 복수의 광자들에 대해 2개의 경로들(31, 32)을 생성하는, 제1 빔 스플리터(61);
상기 적어도 2개의 경로들(31, 32) 중 하나를 가로막도록 제공되는 제1 압전 병진 미러(41)로서, 상기 제1 압전 병진 미러(41)는 압전 병진기가 장착되어 상기 적어도 2개의 경로들(31, 32) 사이의 상대 위상 변위(
)를 조절하는, 제1 압전 병진 미러(41)를 포함하는, 장치(100).
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 생성 스테이지(210)의 상기 제1 요소(211) 및 상기 제2 요소(212)는 서로에 대한 기하학적 상관관계들을 식별할 수 있도록 조정된 기하학적 구성으로 서로에 대해 배열된 4개의 도파관들(33-36)을 포함하고, 그러한 식별은 단일 광자의 상기 두 자유도들 모두에 값을 할당할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는, 장치(100).
청구항 15에 있어서,
상기 4개의 도파관들(33-36)은 4개의 광학 경로들을 나타내며, 상기 4개의 도파관들(33-36)은 서로에 대해 평행하게 배치되고 그리고 수평 기하학적 평면상에 놓이며,
우리가 중심선이라고 부를 상기 4개의 도파관들(33-36)에 평행한 기하학적 선은 기준으로 사용되며, 상기 중심선보다 높은 제1 도파관(33), 상기 중심선보다 높은 제2 도파관(34), 기하학적 선보다 낮은 제3 도파관(35), 상기 중심선보다 낮은 제4 도파관(36)과 같이 4개의 도파관들(33-36)을 식별할 수 있고,
상기 제1 상부 가이드(33)는 상기 중심선에서 멀리 떨어져 있고, 상기 제2 상부 가이드(34)는 상기 중심선 근처에 있고, 상기 제1 하부 가이드(35)는 상기 중심선 근처에 있고, 상기 제2 하부 가이드(36)는 상기 중심선에서 멀리 떨어져 있고,
상기 도파관들(33-36)에 삽입된 단일 광자의 한 쌍의 상태들의 자유도들은 제1 상태에 대해 상부(T) 자유도 및 하부(B) 자유도로 2개이고, 그리고 제2 상태에 대해 근방(N) 자유도 및 원방(F) 자유도로 2개이며, 상기 상부, 하부, 근방, 원방은 상기 기하학적 평면 상의 중심선에 대한 4개의 도파관들(33-36)의 기하학적 배치를 의미하는 것을 특징으로 하는, 장치(100).
청구항 15 또는 청구항 16에 있어서,
상기 제2 생성 스테이지(220)는 :
상기 4개의 도파관들(33-36) 중 2개의 도파관들(33, 34) 사이에 배치된 적어도 하나의 제1 빔 스플리터(61)로서, 상기 적어도 하나의 제1 빔 스플리터(61)는 상기 4개의 도파관들(33-36) 중 상기 2개의 도파관들(33, 34) 사이에 상기 소스(10)에 의해 생성된 다수의 광자들을 동일한 확률로 지향시키는, 적어도 하나의 제1 빔 스플리터(61); 및
상기 적어도 하나의 제1 빔 스플리터(61)의 다운스트림에 배치된 적어도 하나의 위치 교환기(45)로서, 상기 적어도 하나의 위치 교환기(45)는 상기 4개의 도파관들(33-36) 중 2개의 도파관들(34, 35) 사이에 배치되는, 적어도 하나의 위치 교환기(45)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치(100).
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 생성 스테이지(210)의 상기 제1 요소(211) 및 상기 제2 요소(212)는 서로에 대한 기하학적 상관관계들을 식별할 수 있도록 조정된 기하학적 구성으로 서로에 대해 배열된 2개의 멀티모드 도파관들을 포함하고, 그러한 식별은 단일 광자의 상기 두 자유도들 중 제1 자유도에 값을 할당할 수 있게 하며, 제2 자유도의 값은 상기 두 개의 멀티모드 도파관들 각각에서 단일 광자의 한 쌍의 전송 모드들을 통해 정의되는 것을 특징으로 하는, 장치(100).
청구항 1 내지 청구항 18 중 어느 하나에 있어서,
상기 제2 생성 스테이지(220)가 통합되는 집적 광자 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치(100).
청구항 19에 있어서,
상기 소스(10)를 뺀 제1 생성 스테이지(210)는 상기 집적 광자 회로에 통합되는 것을 특징으로 하는, 장치(100).
청구항 1 내지 청구항 20 중 어느 한 항에 따른 양자-얽힘 단일 광자 상태들을 생성하기 위한 장치(100)를 포함하는 집적 광자 회로.
청구항 21에 있어서,
상기 집적 광자 회로는 예를 들어 유리, 리튬니오베이트(lithium niobate), Si, SiN, SiON, InP 또는 기타 화합물 반도체들로 이루어진 모놀리식(monolithic) 또는 하이브리드 기술 플랫폼 상에 형성되는 것을 특징으로 하는, 집적 광자 회로.