KR20230134581A

KR20230134581A - 바이크로매틱 얽힘 소스를 이용하여 양자 원격통신들을 수행하기 위한 시스템들 및 방법들

Info

Publication number: KR20230134581A
Application number: KR1020237028854A
Authority: KR
Inventors: 루크 세켈스키; 아니타 리차드슨; 메흐디 나마지; 마엘 플라멘트; 양 왕; 알렉산더 크래덕
Original assignee: 큐넥트, 인크.
Priority date: 2021-01-29
Filing date: 2022-01-28
Publication date: 2023-09-21
Also published as: US20240129045A1; WO2022165134A1; CA3210192A1; AU2022212091A1; JP2024509691A; EP4285513A1

Abstract

바이크로매틱 광자들의 얽힌 쌍을 생성하기 위한 시스템들 및 방법들이 설명된다. 시스템은 제1 및 제2 레이저 빔들의 빔 경로들 내에 위치한 원자 종들의 원자들을 포함하는 원자 증기 셀을 포함한다. 제1 및 제2 레이저 빔들은, 제1 및 제2 레이저 빔들이 원자 증기 셀 내에서 4파 혼합 프로세스를 야기하도록, 원자종들의 제1 및 제2 원자 천이들과 공진하는 제1 및 제2 파장들에 튜닝된다. 4파 혼합 프로세스의 결과로서, 제3 및 제4 파장들을 갖는 얽힌 광자 쌍들이 생성되어 원자 증기 셀로부터 출력된다. 제1 및 제2 파장들은 원자 증기 셀 내에 EIT(electromagnetically-induced transparency)를 생성하도록 선택될 수 있고, EIT는 제3 파장에서 원자 증기 셀 내에 투명 매체를 생성하여, 스펙트럼 밝기 및/또는 광자 선폭들을 개선한다.

Description

바이크로매틱 얽힘 소스를 이용하여 양자 원격통신들을 수행하기 위한 시스템들 및 방법들

[관련 출원에 대한 상호 참조]

본 출원은 대리인 관리 번호 Q0074.70005US00 하에서 2021년 1월 29일자로 출원되고 발명의 명칭이 "SYSTEMS AND METHODS FOR PERFORMING QUANTUM TELECOMMUNICATIONS USING A BICHROMATIC ENTANGLEMENT SOURCE"인 미국 가특허 출원 제63/143,740호의 35 U.S.C. §119(e) 하에서의 이익을 주장하며, 이 출원의 내용은 그 전체가 참조에 의해 이로써 본 명세서에 통합된다.

[연방 후원 연구]

본 발명은 미국 에너지부가 수여한 DE-SC0021556 하의 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대해 특정 권리들을 갖는다.

양자 네트워크들은 물리적으로 분리된 양자 프로세서들 또는 다른 양자 디바이스들(예를 들어, 양자 센서들) 사이에서 양자 비트들("큐비트(qubit)들")의 형태로 된 정보의 송신을 용이하게 한다. 양자 네트워크들은 어떤 거리들에 걸쳐 광 양자 통신을 가능하게 하기 위해 사용될 수 있고, 정보가 (예를 들어, 편광에 의해) 인코딩되는 단일 광자들의 송신을 통해 표준 원격통신 광섬유들 상에서 구현될 수 있다. 임의의 거리들에 걸친 양자 정보의 신뢰성 있는 송신을 가능하게 하기 위해, 추가적인 컴포넌트들이 필요할 수 있다.

다음은 본 출원의 일부 실시예들의 비제한적인 요약이다. 본 출원의 일부 양태들은 광자들의 얽힌(entangled) 쌍을 생성하기 위한 디바이스에 관한 것이다. 디바이스는 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔의 빔 경로들 내에 배치된 제1 원자 증기 셀(atomic vapor cell)을 포함하고, 제1 원자 증기 셀은 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔의 광자들에 의해 유발된 여기(excitation)들에 응답하여 광자의 얽힌 쌍을 생성하도록 구성된 원자 종들(atomic species)의 원자들을 포함하고, 여기서 원자 종들은 제1 원자 천이(atomic transition) 및 제2 원자 천이를 포함하고, 제1 레이저 빔은 제1 파장을 갖고, 제1 파장은 제1 원자 천이와 공진하도록 튜닝되고, 제2 레이저 빔은 제2 파장을 갖고, 제2 파장은 제1 파장과 상이하고 제2 원자 천이와 공진하도록 튜닝되고, 제1 및 제2 파장들은 제1 원자 증기 셀에서 4파 혼합 프로세스(four-wave mixing process)를 위한 조건을 충족한다.

본 출원의 일부 양태들은 광자들의 얽힌 쌍을 생성하기 위한 디바이스에 관한 것이다. 디바이스는 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔의 빔 경로들 내에 배치된 제1 원자 증기 셀을 포함하고, 제1 원자 증기 셀은 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔의 광자들에 의해 유발된 여기들에 응답하여 광자들의 얽힌 쌍을 생성하도록 구성된 원자 종들의 원자들을 포함하고, 여기서 제1 레이저 빔은 제1 파장을 갖고, 제2 레이저 빔은 제2 파장을 갖고, 제2 파장은 제1 파장과 상이하고, 광자들의 얽힌 쌍은 제3 파장을 갖는 제1 광자 및 제4 파장을 갖는 제2 광자를 포함하고, 제3 파장은 대략 795nm이고, 제4 파장은 대략 1324nm 또는 대략 1476nm이고, 제1 파장 및 제2 파장은 제1 원자 증기 셀 내에 EIT(electromagnetically-induced transparency)을 생성하기 위한 조건들을 충족하고, EIT는 제3 파장에서 제1 원자 증기 셀 내에 투명 매질을 생성한다.

일부 실시예들에서, 광자들의 얽힌 쌍의 광자들은 10MHz 내지 500MHz 범위의 광자 선폭(photon linewidth)을 갖는다. 일부 실시예들에서, 광자들의 얽힌 쌍의 광자들은 10MHz 내지 100GHz 범위의 광자 선폭을 갖는다.

일부 실시예들에서, 디바이스는 내지 범위의 스펙트럼 밝기(spectral brightness)를 갖는 광자들의 얽힌 쌍을 생성하도록 구성된다.

일부 실시예들에서, 광자들의 얽힌 쌍은 제1 광자 및 제2 광자를 포함하고, 여기서 디바이스는 제1 광자 및/또는 제2 광자의 빔 경로에 배치된 패브리-페롯 에탈론(Fabry-Perot etalon)을 추가로 포함한다.

일부 실시예들에서, 광자들의 얽힌 쌍은 제1 광자 및 제2 광자를 포함하고, 여기서 디바이스는 제1 광자 및/또는 제2 광자의 빔 경로에 배치된 이색성 미러(dichroic mirror)를 추가로 포함한다.

일부 실시예들에서, 디바이스는: 제1 레이저 빔을 생성하도록 구성된 제1 레이저; 및 제2 레이저 빔을 생성하도록 구성된 제2 레이저를 추가로 포함한다.

일부 실시예들에서, 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔은 제1 원자 증기 셀 내의 로케이션에서 교차한다. 일부 실시예들에서, 제1 레이저 빔은 제1 원자 증기 셀의 면에 수직인 제1 방향을 따라 제1 원자 증기 셀에 진입하도록 배열되고, 제2 레이저 빔은 제2 방향을 따라 제1 원자 증기 셀에 진입하도록 배열되며, 제2 방향은 제1 방향과 제2 방향 사이에서 0°보다 크고 5° 이하인 각도로 정의된다.

일부 실시예들에서, 디바이스는 제1 및 제2 레이저들과 제1 원자 증기 셀 사이에 위치된 적어도 하나의 AOD(acousto-optic deflector)를 추가로 포함하고, 적어도 하나의 AOD는 제1 및 제2 레이저 빔들을 편향시켜 적어도 하나의 축을 따라 공간적 패턴을 생성하도록 구성된다.

일부 실시예들에서, 광자들의 얽힌 쌍은 제3 파장을 갖는 제1 광자 및 제4 파장을 갖는 제2 광자를 포함한다.

일부 실시예들에서, 제3 파장은 750nm 내지 850nm의 범위에 있고, 제4 파장은 1300nm 내지 1600nm의 범위에 있다. 일부 실시예들에서, 제3 파장은 대략 795nm이고, 제4 파장은 대략 1324nm 또는 대략 1476nm이다. 일부 실시예들에서, 제3 파장은 대략 780nm이고, 제4 파장은 대략 1367nm 또는 대략 1529nm이다.

일부 실시예들에서, 제3 파장 및 제4 파장은 750nm 내지 850nm의 범위에 있다. 일부 실시예들에서, 제3 파장은 대략 795nm이고, 제4 파장은 대략 762nm이다. 일부 실시예들에서, 제3 파장은 대략 780nm이고, 제4 파장은 대략 776nm이다.

일부 실시예들에서, 제3 파장은 750nm 내지 850nm의 범위에 있고, 제4 파장은 450nm 내지 550nm의 범위에 있다. 일부 실시예들에서, 제3 파장은 대략 795nm이고, 제4 파장은 대략 475nm이다. 일부 실시예들에서, 제3 파장은 대략 780nm이고, 제4 파장은 대략 480nm이다.

일부 실시예들에서, 원자 종들은 루비듐을 포함한다.

일부 실시예들에서, 디바이스는 제1 레이저의 출력을 제1 파장에 그리고 제2 레이저의 출력을 제2 파장에 로킹(locking)하는 로킹 디바이스를 추가로 포함한다.

일부 실시예들에서, 로킹 디바이스는: 제1 레이저의 출력에 결합된 제1 레이저 입력 포트; 제2 레이저의 출력에 결합된 제2 레이저 입력 포트; 제1 레이저 입력 포트에 입력된 제1 레이저 빔의 일부분을 수광하고 제2 레이저 입력 포트에 입력된 제2 레이저 빔의 일부분을 수광하도록 배열된 제2 원자 증기 셀; 제1 레이저 빔의 일부분이 제2 원자 증기 셀을 통과한 후에 제1 레이저 빔의 일부분을 수광하도록 배열된 제1 광검출기; 및 제2 레이저 빔의 일부분이 제2 원자 증기 셀을 통과한 후에 제2 레이저 빔의 일부분을 수광하도록 배열된 제2 광검출기를 포함한다.

일부 실시예들에서, 로킹 디바이스는 제1 레이저 빔의 일부분이 제2 원자 증기 셀을 통과한 후에 제1 레이저 빔의 일부분을 제1 광검출기 상으로 반사시키고 제2 레이저 빔의 일부분을 투과시키도록 구성된 이색성 미러를 추가로 포함한다.

일부 실시예들에서, 로킹 디바이스는 제1 레이저 빔의 일부분을 제1 빔 및 제2 빔이 되도록 스플릿(split)하고, 제1 빔을 제2 원자 증기 셀의 제1 영역으로 지향시키고, 제2 빔을 제2 원자 증기 셀의 제2 영역으로 지향시키도록 구성된 하나 이상의 빔스플리터(beamsplitter) 컴포넌트를 추가로 포함한다.

일부 실시예들에서, 로킹 디바이스는 제2 빔이 제2 원자 증기 셀의 제2 영역을 통과한 후에 제2 광검출기 상으로 제2 빔을 지향시키도록 구성된 하나 이상의 미러를 추가로 포함한다.

일부 실시예들에서, 하나 이상의 빔스플리터 컴포넌트는 제1 빔이 제2 원자 증기 셀의 제1 영역을 통과한 후에 제1 광검출기 상으로 제1 빔을 지향시키도록 추가로 구성된다.

일부 실시예들에서, 제2 원자 증기 셀은: 제2 원자 증기 셀의 제1 영역에서 및 제2 원자 증기 셀의 제2 영역에서 제1 레이저 빔의 일부분을 수광하고; 및 제2 원자 증기 셀의 제1 영역에서는 제2 레이저 빔의 일부분을 수광하지만 제2 원자 증기 셀의 제2 영역에서는 제2 레이저 빔의 일부분을 수광하지 않도록 배열된다.

일부 실시예들에서, 제2 원자 증기 셀은 루비듐 원자를 포함한다.

일부 실시예들에서, 로킹 디바이스는 제2 원자 증기 셀을 가열하도록 배열된 적어도 하나의 가열 요소를 포함한다.

본 출원의 일부 양태는 광자의 얽힌 쌍을 생성하는 방법에 관한 것이다. 방법은: 제1 레이저를 사용하여 제1 레이저 빔을 생성하는 단계 - 제1 레이저 빔은 제1 파장을 가짐 -; 제2 레이저를 이용하여 제2 레이저 빔을 생성하는 단계 - 제2 레이저 빔은 제1 파장과 상이한 제2 파장을 가짐 -; 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔을 원자 종들(atomic species)의 원자 증기를 포함하는 제1 원자 증기 셀을 통해 통과시킴으로써 제1 원자 증기 셀에서 4파 혼합 프로세스(four-wave mixing process)를 야기하는 단계; 및 4파 혼합 프로세스의 결과로서, 광자들의 얽힌 쌍을 생성하는 단계 - 광자들의 얽힌 쌍을 생성하는 단계는 제3 파장을 갖는 제1 광자 및 제4 파장을 갖는 제2 광자를 생성하는 단계를 포함하고, 제1 파장은 대략 795nm이고 제2 파장은 대략 1324nm 또는 대략 1449nm임 - 를 포함한다.

일부 실시예들에서, 원자 종들은 제1 원자 천이 및 제2 원자 천이를 포함하고, 제1 파장은 제1 원자 천이와 공진하도록 튜닝되고, 제2 파장은 제2 원자 천이와 공진하도록 튜닝된다.

일부 실시예들에서, 제1 레이저 빔을 생성하는 단계는 제1 파장을 갖는 제1 레이저 빔을 생성하는 단계를 포함하고, 제1 파장은 대략 780nm이며, 제2 레이저 빔을 생성하는 단계는 제2 파장을 갖는 제2 레이저 빔을 생성하는 단계를 포함하고, 제2 파장은 대략 1367nm 또는 대략 1529nm이다.

일부 실시예들에서, 광자들의 얽힌 쌍을 생성하는 단계는 10MHz 내지 100GHz 범위의 광자 선폭을 갖는 광자들의 얽힌 쌍을 생성하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 광자들의 얽힌 쌍을 생성하는 단계는 10MHz 내지 500MHz 범위의 광자 선폭을 갖는 광자들의 얽힌 쌍을 생성하는 단계를 포함한다.

일부 실시예들에서, 광자들의 얽힌 쌍을 생성하는 단계는 내지 범위의 스펙트럼 밝기를 갖는 광자들의 얽힌 쌍들을 생성하는 단계를 포함한다.

일부 실시예들에서, 원자 종들의 제1 원자 천이는 제1 원자 증기 셀 내의 원자를 기저 상태(ground state)로부터 제1 여기 상태로 여기시키는 것을 포함하고, 원자 종들의 제2 원자 천이는 제1 원자 증기 셀 내의 원자를 제1 여기 상태로부터 제2 여기 상태로 여기시키는 것을 포함한다.

일부 실시예들에서, 원자 종들은 루비듐을 포함한다.

일부 실시예들에서, 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔을 제1 원자 증기 셀을 통해 통과시키는 단계는 제1 레이저 빔을 제1 원자 증기 셀의 면에 수직인 제1 방향을 따라 제1 원자 증기 셀을 통해 통과시키는 단계, 및 제2 레이저 빔을 제2 방향을 따라 제1 원자 증기 셀을 통해 통과시키는 단계를 포함하고, 제2 방향은 제1 방향과 제2 방향 사이에서 0°보다 크고 5° 이하인 각도로 정의된다.

일부 실시예들에서, 방법은 적어도 하나의 패브리 페롯 에탈론을 사용하여 광자들의 얽힌 쌍의 광자들을 필터링하는 단계를 포함한다.

일부 실시예들에서, 방법은: 제1 레이저 빔으로부터의 광의 일부분을 제2 원자 증기 셀을 통해 제1 광검출기 상으로 그리고 제2 광검출기 상으로 지향시키고; 제2 레이저 빔으로부터의 광의 일부분을 제2 원자 증기 셀을 통해 지향시키고; 특성 천이 주파수(characteristic transition frequency)에서 제2 원자 증기 셀의 원자들에 의한 제1 레이저 빔으로부터의 광의 일부분의 감쇠량을 나타내는 제1 광검출기에 의해 산출된 신호들에 기초하여 제1 파장에서 제1 레이저 빔을 로킹하고; 및 특성 천이 주파수에서의 제2 원자 증기 셀의 원자들에 의한 제1 레이저 빔으로부터의 광의 일부분의 감쇠량을 나타내는 제2 광검출기에 의해 산출된 신호들에 기초하여 제2 파장에서 제2 레이저 빔을 로킹함으로써 제1 레이저 빔을 제1 파장에 그리고 제2 레이저 빔을 제2 파장에 로킹하는 단계를 추가로 포함한다.

일부 실시예들에서, 제1 파장에서 제1 레이저 빔을 로킹하는 단계는 제1 레이저에 대한 전압 입력을 변조하고 및 제1 광검출기에 의해 산출된 신호들에 기초하여 생성된 제1 오류 신호를 측정하는 단계를 포함한다.

일부 실시예들에서, 제2 파장에서 제2 레이저 빔을 로킹하는 단계는 제2 광검출기에 의해 산출된 신호들의 더 큰 감쇠를 야기하는 제2 레이저에 대한 전압 입력을 식별하는 단계를 포함한다.

일부 실시예들에서, 제1 레이저 빔으로부터의 광의 일부분이 편광되지 않고, 제2 레이저 빔으로부터의 광의 일부분이 편광되지 않는다.

일부 실시예들에서, 제2 레이저 빔으로부터의 광의 일부분이 제1 광검출기 또는 제2 광검출기 중 어느 하나에 입사하지 않는다.

일부 실시예들에서, 제1 레이저 빔으로부터의 광의 일부분은 제2 원자 증기 셀의 제1 및 제2 영역들을 통해 지향되고, 여기서 제2 레이저 빔으로부터의 광의 일부분은 제2 원자 증기 셀의 제2 영역이 아니라 제1 영역을 통해 지향된다.

본 출원의 일부 양태는 얽힌 광자 쌍을 생성하기 위한 디바이스에 관한 것이다. 디바이스는: 제1 파장을 갖는 제1 빔을 출력하도록 구성된 제1 레이저; 제2 파장을 갖는 제2 빔을 출력하도록 구성된 제2 레이저; 제1 빔 및 제2 빔을 수광하도록 구성된 간섭계; 및 간섭계의 빔 경로 내에 배치되고 얽힌 광자 쌍을 생성하도록 구성된 원자 증기 셀을 포함한다.

일부 실시예들에서, 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍(bichromatic entangled photon pair)은 제2 광자와 얽힌 제1 광자를 포함하는데, 제1 광자는 제1 파장을 갖고 제2 광자는 제2 파장을 갖는다.

일부 실시예들에서, 제1 파장은 1260nm 내지 1675nm 범위의 텔레콤 파장(telecom wavelength)을 포함한다.

일부 실시예들에서, 제1 파장은 대략 1324nm이고 제2 파장은 대략 795nm이다.

일부 실시예들에서, 제1 파장 및 제2 파장은 원자 증기 셀 내의 원자 증기의 원자 천이 레벨들에 튜닝된다.

일부 실시예들에서, 간섭계는, 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔을 이용하여, 수평 및 수직 편광된 광으로 된 역전파(counter-propagating) 레이저 빔들을 생성하도록 구성된다.

일부 실시예들에서, 원자 증기 셀은 간섭계에 의해 생성된 역전파 레이저 빔들을 이용하여 얽힌 광자 쌍을 생성하도록 구성된다.

일부 실시예들에서, 원자 증기 셀은 4파 혼합을 이용하여 얽힌 광자 쌍을 생성하도록 구성된다.

일부 실시예들에서, 디바이스는 제1 및 제2 레이저들과 간섭계 사이의 렌즈를 추가로 포함하는데, 렌즈는 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔을 간섭계 내의 초점에 포커싱하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 원자 증기 셀은 초점에 배치된다.

일부 실시예들에서, 디바이스는 제1 및 제2 레이저들과 상기 렌즈 사이에 위치된 적어도 하나의 AOD(acousto-optical deflector)를 추가로 포함하는데, 적어도 하나의 AOD는 제1 및 제2 레이저 빔들을 편향시켜 적어도 하나의 축을 따라 공간적 패턴을 생성하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 AOD는 제1 및 제2 레이저 빔들을 편향시켜 2개의 축을 따라 공간적 패턴을 생성하도록 구성된 2개의 AOD를 포함한다.

일부 실시예들에서, 간섭계는: 제1 편광 빔스플리터의 직교 면들에 입사하는 제1 및 제2 레이저 빔들을 수광하도록 배치되고 및 제1 및 제2 레이저 빔들을 동일한 광 경로를 따라 공동 전파하도록 조합하게 구성된 제1 편광 빔스플리터; 및 제2 편광 빔스플리터의 동일 면에 입사하는 공동 전파하는 제1 및 제2 레이저 빔들을 수광하도록 배치되고 및 제2 편광 빔스플리터의 2개의 직교 면으로부터, 제1 및 제2 레이저 빔들의 수평 또는 수직 편광된 성분들을 포함하는 개별 레이저 빔들을 출력하도록 구성된 제2 편광 빔스플리터 - 빔 경로는 개별 레이저 빔들이 동일 길이의 광 경로들을 트래버스(traverse)함으로써 제2 빔스플리터로 복귀하게 야기하도록 구성된 순환 광 경로임 - 를 포함한다.

일부 실시예들에서, 간섭계는 사냑 간섭계(Sagnac interferometer)를 포함한다.

일부 실시예들에서, 원자 증기 셀은 기밀 밀봉된(hermetically-sealed) 셀 및 광학적으로 투명한 벽들을 포함한다.

일부 실시예들에서, 원자 증기 셀은 하나 이상의 진공 및/또는 냉각 컴포넌트에 결합되고, 원자 증기 셀은 한정된 증기 영역 내에 원자 구름을 광학적으로 가두도록(trap) 구성되고, 원자 증기 셀은 원자 증기 셀을 통한 광의 다방향 통과를 허용하도록 구성된 포트들을 포함한다.

일부 실시예들에서, 원자 증기 셀 내에 배치된 원자 구름의 원자들은 도파관을 포함하는 칩 상에 배치되거나 또는 중공 광섬유(hollow optical fiber) 내에 배치된다.

본 출원의 일부 양태들은 양자 네트워킹을 수행하는 방법에 관한 것이다. 방법은: 제1 로케이션에 있는 제1 디바이스를 사용하여 제1 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍을 생성하는 단계; 제1 로케이션과는 상이한 제2 로케이션에 배치된 제2 디바이스를 사용하여 제2 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍을 생성하는 단계; 제1 및 제2 로케이션들에 있는 각자의 양자 메모리 디바이스들에 제1 및 제2 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들 각각의 제1 광자를 제각기 저장하는 단계; 제1 및 제2 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들 각각으로부터의 제2 광자를 제1 및 제2 로케이션들과 상이한 제3 로케이션에 배치된 제1의 2광자 간섭 측정 디바이스(two-photon interference measurement device)에 송신하는 단계; 및 송신된 제2 광자들 및 제1의 2광자 간섭 측정 디바이스에 대해 2광자 간섭 측정을 수행함으로써 새롭게 얽힌 광자 쌍을 형성하기 위해 제1 및 제2 로케이션들에 있는 저장된 제1 광자들의 상태들을 얽히게 하는(entangling) 단계를 포함한다.

일부 실시예들에서, 제1 및 제2 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들 각각을 생성하는 단계는: 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔을 원자 증기 셀을 통해 통과시킴으로써 원자 증기를 포함하는 원자 증기 셀에서 4파 혼합 프로세스를 야기하는 단계를 포함하고, 제1 레이저 빔은 제1 파장을 가지고, 제2 레이저 빔은 제2 파장을 가지며, 여기서 제1 파장은 원자 증기의 제1 원자 천이의 주파수에 대응하고, 제2 파장은 원자 증기의 제2 원자 천이의 주파수에 대응한다.

일부 실시예들에서, 제1 광자는 제1 파장을 가지고, 제2 광자는 제2 파장을 가지며, 제1 파장은 근적외선 파장이고, 제2 파장은 적외선 파장이다.

일부 실시예들에서, 제1 파장은 795nm이고 제2 파장은 1324nm이다.

일부 실시예들에서, 제2 광자를 송신하는 것은 GPS 동기화된 디바이스로부터 타이밍 신호를 수신한 후에 일어난다.

일부 실시예들에서, 제2 광자는 광섬유를 통해 제1의 2광자 간섭 측정 디바이스에 송신된다.

일부 실시예들에서, 방법은: 제1 얽힌 광자 쌍의 저장된 제1 광자들 중 하나를 제2의 2광자 간섭 측정 디바이스에 송신하는 단계; 제2 얽힌 광자 쌍의 저장된 제1 광자를 상기 제2의 2광자 간섭 측정 디바이스에 송신하는 단계; 및 제2의 2광자 간섭 측정 디바이스 및 송신된 제1 광자들을 이용하여 2광자 간섭 측정을 수행함으로써 제1 얽힌 광자 쌍의 다른 저장된 제1 광자를 제2 얽힌 광자 쌍의 또 다른 저장된 제1 광자와 얽히게 하는 단계를 추가로 포함한다.

본 출원의 일부 양태들은 양자 정보를 송신하는 방법에 관한 것이다. 방법은: 복수의 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍을 생성하는 단계 - 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들 각각은 상이한 로케이션에 배치되고 제1 주파수를 갖는 제1 광자 및 제2 주파수를 갖는 제2 광자를 포함함 -; 각자의 상이한 로케이션들에 있는 각각의 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍의 제1 광자를 저장하는 단계; 각각의 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍의 제2 광자를 제1 중간 로케이션들에 송신하는 단계 - 각각의 제1 중간 로케이션은 2개의 제2 광자를 수용함 -; 제1 중간 로케이션들 각각에서, 제1의 2광자 간섭 측정 디바이스들을 사용하여 수광된 제2 광자들의 2광자 간섭 측정을 수행하는 단계; 및 2광자 간섭 측정이 제1의 2광자 간섭 측정 디바이스들에 의해 성공적으로 수행될 때 저장된 제1 광자들의 쌍들 사이에 새롭게 얽힌 상태를 생성하는 단계를 포함한다.

일부 실시예들에서, 방법은: 제1 광자들의 일부분을 제2 중간 로케이션에 송신하는 단계 - 각각의 제2 중간 로케이션은 2개의 제1 광자를 수용함 -; 상기 제2 중간 로케이션들 각각에서, 제2의 2광자 간섭 측정 디바이스들을 이용하여 상기 수광된 제1 광자들의 2광자 간섭 측정을 수행하는 단계; 및 2광자 간섭 측정이 제2의 2광자 간섭 측정 디바이스들에 의해 성공적으로 수행될 때 저장된 제1 광자들의 상이한 쌍들 사이에 새롭게 얽힌 상태를 생성하는 단계를 추가로 포함한다.

첨부 도면들은 축척에 맞게 그려지지 않는다. 도면들에서, 다양한 도면들에 예시된 각각의 동일하거나 거의 동일한 컴포넌트는 유사한 번호로 표현된다. 명확성 목적을 위해, 모든 도면에서 모든 컴포넌트가 라벨링되는 것은 아닐 수 있다. 도면들에서:
도 1은 본 명세서에서 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들을 생성하도록 배열되고 및 간섭계를 포함하는 바이크로매틱 광자 소스(100)의 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 명세서에서 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 생성된 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들의 예시적인 궤적들을 도시한다.
도 3a 내지 도 3d는 본 명세서에 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 예시적인 2광자 붕괴 경로(two-photon decay path)들을 가지는 루비듐의 예시적인 에너지 레벨 다이어그램들을 도시한다.
도 4는 본 명세서에 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 간섭계를 포함하고 및 다중화된(multiplexed) 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들을 생성하도록 구성된 바이크로매틱 광자 소스(400)의 개략도이다.
도 5a는 본 명세서에 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 간섭계를 갖지 않고 및 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들을 생성하도록 배열된 또 다른 바이크로매틱 광자 소스(500)의 개략도이다.
도 5b는 본 명세서에 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 랙 장착 하우징(rack-mounted housing)에 배열된 바이크로매틱 광자 소스(500)의 예시적인 도면이다.
도 6은 생성된 공진 광자들에 대해 원자 증기 셀에 의해 야기되는 필터링의 효과를 도시하는 예시적인 플롯이다.
도 7은 본 명세서에 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 2광자 붕괴 경로를 갖는 원자 종들의 또 다른 예시적인 에너지 레벨 다이어그램이다.
도 8은 본 명세서에 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 공진 시에 원자 증기 셀의 원자들을 펌핑함으로써 개방된 투명 윈도우를 도시하는 예시적인 플롯이다.
도 9a는 본 명세서에 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 원자 증기 셀의 원자들이 공진 시에 펌핑되는 바이크로매틱 광자 소스에 대한 광자 선폭의 튜닝가능한 속성을 보여주는 예시적인 시뮬레이션된 플롯이다.
도 9b는 본 명세서에 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 원자 증기 셀의 원자들이 공진 시에 펌핑되는 바이크로매틱 광자 소스에 대한 광자 선폭의 튜닝가능한 속성을 보여주는 예시적인 실험 플롯이다.
도 10은 본 명세서에 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 상이한 광학 펌프 전력들에 대한 생성된 광자들의 측정된 코인시던스(coincidence)를 보여주는 예시적인 실험 플롯이다.
도 11a 및 도 11b는 본 명세서에서 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 바이크로매틱 광자 소스의 2개의 출력 광자 아암(output photon arm)들에 대해 측정된 2차 자기 상관 함수들을 도시하는 플롯들이다.
도 12a 및 도 12b는 출력 광자들의 벨 상태(Bell-state)를 확인하고 및 본 명세서에 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 바이크로매틱 광자 소스의 2개의 출력 광자 아암 대 각각의 아암 상에 배치된 편광기의 회전 각도에 대한 측정된 코인시던스들을 도시하는 플롯들이다.
도 13은 본 명세서에서 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 광자들의 얽힌 쌍을 생성하기 위한 프로세스(1300)를 설명하는 흐름도이다.
도 14는 본 명세서에 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 레이저의 파장을 안정화하기 위한 시스템(1400)의 개략도이다.
도 15는 본 명세서에 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 2개의 상이한 주파수에서 2개의 상이한 레이저를 로킹하기 위한 예시적인 디바이스(1500)의 개략도이다.
도 16a는 본 명세서에 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 루비듐의 원자 여기들을 도시한다.
도 16b는 본 명세서에서 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 광검출기에 의해 수신된 신호의 감쇠를 도시한다.
도 17a 및 도 17b는 본 명세서에서 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 예시적인 로킹 디바이스(1700)를 도시한다.
도 18a 및 도 18b는 본 명세서에서 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 바이크로매틱 광자 소스 및 양자 메모리의 개략적인 블록도, 및 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍을 생성하고 쌍의 광자들을 저장하고 송신하는 예시적인 프로세스를 도시한다.
도 19a, 도 19b, 및 도 19c는 본 명세서에 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 양자 네트워크(1900)의 개략적인 블록도 및 양자 네트워크(1900) 내의 저장된 광자들을 얽히게 하는 예시적인 프로세스를 도시한다.
도 20a, 도 20b, 도 20c, 및 도 20d는 본 명세서에 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 다수의 저장 노드를 갖는 양자 네트워크(2000)의 개략적인 블록도, 및 양자 네트워크(2000)의 단부 노드들에서 저장된 광자들을 얽히게 하는 예시적인 프로세스를 도시한다.
도 21은 본 명세서에 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 양자 네트워크(2100)의 예시적인 예를 도시한다.
도 22는 본 명세서에 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 양자 네트워킹을 수행하기 위한 프로세스(2200)를 기술하는 흐름도이다.

바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들을 생성하기 위한 및 상기 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들을 사용하여 원격통신 네트워크들을 통해 양자 정보를 송신하기 위한 기법들이 본 명세서에 설명된다. 이러한 기법들은 원자 증기의 2개의 원자 천이에 튜닝되는 주파수들을 갖는 레이저 빔들의 사용을 포함한다. 레이저 빔들은 원자 증기의 원자들과 상호작용하고, 4파 혼합 프로세스를 통해, 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들이 원자 증기 셀로부터 방출되게 야기하며, 쌍들의 광자들 각각은 상이한 주파수를 갖는다. 그 후, 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들은 제1 노드 및 제2 노드에서 이러한 쌍들을 생성하고, 쌍들의 제1 광자들을 양자 메모리들에 저장하고, 쌍들의 제2 광자들을 광섬유들을 통해 송신하고, 수광된 제2 광자들의 2광자 간섭 측정을 수행하여 저장된 제1 광자들의 얽힘을 야기함으로써 양자 정보를 송신하기 위해 사용되고, 그에 의해 제1 노드로부터 제2 노드로 양자 정보를 전송할 수 있다.

양자 통신은 정보의 인코딩, 처리, 및 전송을 지수함수적으로 향상시키기 위해서 양자 역학의 특수한 속성들을 활용한다. 최종 목표가 양자 컴퓨터들을 연결하는 것이든, 초정밀 감지 측정들을 수행하는 것이든, 또는 양자 보안 통신 네트워크들을 생성하는 것이든 간에, 모두 이종(heterogeneous) 양자 디바이스들의 연결에 의존할 것이다. 이러한 디바이스들은 종종 본질적으로 통신 호환가능하지 않다; 예를 들어, 이들은 상이한 주파수들 또는 공간적 모드들(예를 들어, 자유 공간 또는 광섬유를 통해 송신됨)을 사용하여 동작할 수 있다. 예를 들어, 원자 자력계들(atomic magnetometers, AM들)은 루비듐(Rb) 원자들과 상호작용하는 자계들의 분극 상태의 변화를 검출함으로써 보다 양호한 감도들로 자계들을 측정하기 위해 Rb 원자들을 이용한다. 편광 얽힌 광자 소스와 AM들의 어레이를 네트워킹하는 것은 양자 중계기에 기초한 긴 기준선 망원경(long-baseline telescope)에 대해 제안된 것과 유사하게, 측정 감도를 개선하기 위해 바람직할 것이다. 많은 응용들은 분산 감지 문제들을 해결하기 위해 공동으로 작업하는 다수의 센서를 필요로 한다.

그러나, AM들 및 다른 원자 기반 센서들이 통상적으로 광섬유 통신에 흔히 사용되는 1300nm 및/또는 1550nm 대신에 대략 780-795nm의 파장들에서 동작하므로, 이러한 것의 현실화는 여전히 손에 잡히지 않는다. Rb 원자들을 사용하는 실온 양자 메모리들 및 양자 시뮬레이터들 및 광자 위상 변조기들과 같은 많은 다른 원자 기술들에 대해서도 동일한 도전과제에 직면한다. 양자 디바이스들 사이의 통신은 양자 기술이 정적 양자 디바이스들로부터 모바일 양자 디바이스들(예를 들어, 공중 또는 해양 양자 노드들)로 천이함에 따라 훨씬 더 복잡해진다. 이들 모바일 노드들을 서로 효율적으로 연결하기 위해, 근적외선(NIR) 파장들(780-795nm)을 갖는 광자들이 광섬유 호환 파장들(예를 들어, 적외선 파장들)에 있는 광자들에 비해 감소된 대기 손실 및 교란을 경험하는 것으로 드러났다. 양자 보안 네트워크들에서 크로스 디바이스 주파수 호환성을 가능하게 하는 디바이스들에 대한 상당하고 충족되지 않은 필요성이 존재한다.

덧붙여, 주파수 변환기들이 양자 디바이스들과 전기통신 인프라스트럭처 사이의 파장 부정합들을 다루기 위해 사용될 수 있지만, 주파수 변환기들은 통상적으로 적절한 파장의 광자들을 생성하기 위해 비선형 결정 소스들에 의존한다. 비선형 결정에 의해 생성된 이러한 광자들은 그 큰 선폭들로 인해 원자, 이온, 또는 다른 광자 모듈들과 인터페이스하는 데에 여전히 양립가능하지 않을 수 있다. 예를 들어, 비선형 결정들에 의해 생성된 광자들은 보통은 10THz 정도의 선폭들을 갖는데, 이것은 양자 버퍼들, 시뮬레이터들, 및 원자 프로세서들과 같은 원자 또는 이온 디바이스들에 의해 사용되는 임의의 선폭보다 상당히 더 넓다. 양자 컴퓨터들 및 센서들은 전형적으로 수 내지 수십 MHz의 선폭들을 소유하는 광자들과 상호작용한다. 지금까지, 이러한 좁은 선폭들은 임의의 상업적인 얽힘 소스에서 이용가능하지 않다.

본 발명자들은, 특정 원자 종들에서의 원자 천이들의 쌍들이 텔레콤 및 자유 공간 통신 파장들에서 대응하는 광자들의 얽힌 쌍들을 생성하기 위해 사용될 수 있다는 것을 인식하였다. 그에 따라, 본 발명자들은 및 원자들을 이용하는 바이크로매틱 광자 소스를 개발하였고, 바이크로매틱 소스는 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들을 생성하도록 배열된다. 이러한 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들은 편광 공간에서 얽힌 광자들을 포함하지만, 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들 중 각각의 광자는 상이한 파장을 갖는다. 예를 들어, 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍 중 하나의 광자는 근적외선(NIR)의 파장을 가질 수 있는 한편, 다른 광자는 적외선 파장을 갖는다. 바이크로매틱 광자 소스는 2개의 고전적인 펌프 필드로부터의 (예를 들어, 제1 및 제2 펌프 레이저로부터의) 광자들을 2개의 상이한 파장에 있지만 서로 얽힌 단일 광자들의 쌍들이 되도록 변환하기 위해 따뜻한 원자 증기 셀에서 SFWM(Spontaneous Four-Wave Mixing)의 프로세스를 이용한다. 바이크로매틱 광자 소스는, 예를 들어, 섬유 투과를 위한 텔레콤 O, S, 및 C 대역들 및 양자 버퍼링, 처리, 및 감지를 위한 NIR을 포함하여, 광범위한 파장들에 액세스하기 위해 잘 특성화된 Rb 증기의 원자 천이들을 사용할 수 있다.

일부 실시예들에서, 바이크로매틱 광자 소스는 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔의 빔 경로들 내에 배치된 원자 증기 셀을 포함한다. 제1 원자 증기 셀은 원자 증기 내의 원자 종들(예를 들어, Rb, Cs, 또는 임의의 다른 적합한 알칼리 금속)의 원자들을 포함한다. 원자 종들의 원자들은 제1 원자 천이 및 제2 원자 천이를 가지며, 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔의 광자들에 의해 야기되는 광학 여기들에 응답하여 광자들의 얽힌 쌍을 생성하도록 구성된다.

본 발명자들은 원자 종들의 원자 천이들과 공진하도록 펌프 레이저들의 파장들을 튜닝하는 것이 원자 증기 셀의 필터링 효과들을 완화시킬 수 있고, 그에 의해 더 좁은 광자 선폭들을 가능하게 한다는 것을 추가로 인식하고 알았다. 예를 들어, 펌프 레이저들이 원자 증기의 원자 공진 파장들이 아니라 그 근처의 파장들에서 동작될 때, 원자 증기 셀의 원자들은 필터로서 작용하여, 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들의 출력 및 품질을 감소시킬 수 있다. 특히, 펌프 레이저들이 원자 증기의 원자 공진 파장들이 아니라 그 근처의 파장들에서 동작될 때(예를 들어, 대략 1-2GHz에 대응하는 에너지만큼 상이함), 바이크로매틱 광자 쌍들은 그들 각자의 공진들에 가까운 파장들로 방출된다. 그러나, 원자 증기는 거의 공진하는 광자들에 대해 광학적으로 두껍고, 따라서, 생성된 광자들은 원자 증기 셀 내에서 원자들에 의해 여러 번 흡수되고 재방출될 수 있다. 이 효과는 생성된 광자들의 엔빌로프(envelope)에서 추가적인 잡음을 야기하고, 생성되는 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들의 수를 감소시킨다.

본 발명자들은 원자 종들의 원자 천이들과의 공진 시에 펌프 레이저들을 동작시키는 것이 광자 선폭들의 맞춤화가능성(customizability)을 가능하게 한다는 것을 추가로 인식하고 알았다. 특히, 생성된 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들의 선폭들은 펌프 레이저의 전력(예를 들어, NIR 펌프 레이저의 전력)에 기초하여 튜닝될 수 있다. 이러한 방식으로, 광자 선폭들은 10MHz 내지 100GHz의 범위에서 또는 10MHz 내지 500MHz의 범위에서 맞춤화가능할 수 있다. 그에 따라, 일부 실시예들에서, 제1 레이저 빔은 원자 증기 셀 내의 원자 종들의 제1 원자 천이와 공진하도록 튜닝되는 제1 파장을 갖고, 제2 레이저 빔은 원자 증기 셀 내의 원자 종들의 제2 원자 천이와 공진하도록 튜닝되는 제1 파장과 상이한 제2 파장을 갖는다.

본 발명자들은 원자 종들의 원자 천이들과 공진하는 파장들에서 펌프 레이저들을 동작시키는 것은 원자 증기 셀 내에서 V 타입 EIT(electromagnetically-induced transparency)를 생성하기 위한 조건들을 충족시킬 수 있다는 것을 추가로 인식하고 알았다. 이러한 EIT는 생성된 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍 중 제1 광자의 파장에서 원자 증기 셀 내에 투명 매체를 생성한다. 이러한 V 타입 EIT는 바이크로매틱 광자 소스의 스펙트럼 밝기를 증가시키기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명자들은 펌프 레이저들의 제1 파장 및 제2 파장이 제1 원자 증기 셀 내에서 EIT를 생성하기 위한 조건들을 충족시키는 바이크로매틱 광자 소스들을 동작시키는 기법들을 개발하였다. EIT는, 바이크로매틱 광자 소스의 스펙트럼 밝기가 20 내지 200 의 범위 내에 있게 증가될 수 있도록, 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍 중 한 광자의 파장에서 제1 원자 증기 셀 내에 투명 매체를 생성한다.

일부 실시예들에서, 얽힘 소스는, (예를 들어, 2개의 상이한 주파수를 갖는 2개의 레이저 빔으로부터의) 코히어런트 2광자 펌핑이 상관되지 않은 펌프 광자들을 쌍들의 광자들이 2개의 상이한 주파수를 갖는 편광 얽힌 바이크로매틱 광자 쌍들이 되게 변환할 수 있도록 간섭계의 광 경로에 배치된 Rb 증기 셀을 포함한다. 얽힘 소스는, 광섬유 투과를 위한 텔레콤 O 및 C 대역들, 양자 저장/버퍼링을 위한 NIR, 및 포획된 이온 큐비트들 및 리드버그 여기들(Rydberg excitations)을 위한 근자외선(near-UV)을 포함하여, 광범위한 파장들에 액세스하기 위해 잘 특성화된 Rb 증기의 원자 천이들을 사용한다. 생성된 광자 쌍들은, 일부 실시예들에서, 양자 정보의 송신을 위해 또는 대안적으로 헤럴드된(heralded) 단일 광자 응용들(예를 들어, 양자 키 분배 또는 QKD)을 위해 사용될 수 있다.

일부 실시예들에서, 원자 증기 또는 구름의 원자들은 진공 하에서 자기-광학 트랩(magneto-optical trap)에 의해 한정될 수 있다. 트랩 장치는 (예를 들어, 2개의 상이한 주파수를 갖는 2개의 레이저 빔으로부터의) 코히어런트 2광자 펌핑이 상관되지 않은 펌프 광자들을, 광자 쌍들의 광자들이 2개의 상이한 주파수를 갖는 편광 얽힌 바이크로매틱 광자 쌍들이 되게 변환할 수 있도록 간섭계의 광 경로에 배치될 수 있다. 이러한 구성에서, 소스에 의해 생성된 얽힌 광자들은 자기-광학 트랩 내의 원자들의 레이저 냉각으로부터 귀결되는 도플러 확장의 완화로 인해 훨씬 더 좁은 선폭을 갖는다.

일부 실시예들에서, 간섭계는, 제1 빔 및 제2 빔을 이용하여, 원자 증기 셀로 지향되는 수평 및 수직 편광된 광의 역전파 빔(counter-propagating beam)들을 생성하도록 구성될 수 있다. 원자 증기 셀은 역전파 빔들을 사용하여 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍을 생성하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 원자 증기 셀은 4파 혼합 및 공동 전파 빔들을 사용하여 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍을 생성하도록 구성된다.

일부 실시예들에서, 간섭계는 제1 편광 빔스플리터(splitter) 및 제2 편광 빔스플리터를 포함한다. 제1 편광 빔스플리터는 제1 편광 빔스플리터의 직교 면들에 입사하는 제1 빔 및 제2 빔을 수광하도록 배치될 수 있고, 제1 빔과 제2 빔을 조합하여 동일한 광 경로를 따라 공동 전파하도록 구성될 수 있다. 제2 편광 빔스플리터는 제2 편광 빔스플리터의 동일 면에 입사하는 공동 전파하는 제1 빔 및 제2 빔을 수광하도록 배치될 수 있고, 제2 편광 빔스플리터의 2개의 직교 면으로부터, 제1 빔 및 제2 빔의 수평 또는 수직 편광 성분들을 포함하는 개별 빔들을 출력하도록 구성될 수 있다. 빔 경로는 동일한 길이의 광 경로들을 트래버스(traverse)함으로써 개별 빔들이 제2 빔스플리터로 복귀하게 야기하도록 구성된 순환 광 경로일 수 있다. 일부 실시예들에서, 간섭계는 사냑 간섭계(Sagnac interferometer)를 포함하며, 이것은 기계적 잡음(예로서, 열 팽창)의 효과들에 특히 잘 견딘다.

일부 실시예들에서, 얽힘 소스는 제1 및 제2 레이저들과 간섭계 사이의 렌즈를 포함할 수 있다. 렌즈는 제1 빔 및 제2 빔을 간섭계 내의 초점에 포커싱하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 원자 증기 셀은 초점에 배치될 수 있다.

일부 실시예들에서, 얽힘 소스는 제1 및 제2 레이저들과 렌즈 사이에 위치된 적어도 하나의 AOD(acoustic optical deflector)를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 AOD는 제1 및 제2 빔들을 편향시켜 적어도 하나의 축을 따라 공간적 패턴을 생성하도록(예를 들어, 다중화를 제공하도록) 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 AOD는 제1 및 제2 빔들을 편향시켜 2개의 축을 따라 공간적 패턴을 생성하도록 구성된 2개의 AOD를 포함한다. 대안적으로, 일부 실시예들에서, SLM(spatial light modulator; 도시되지 않음)가 제1 및 제2 빔들을 편향시켜 적어도 하나의 축을 따라 공간적 패턴을 생성하도록 AOD 대신에 이용될 수 있다.

본 발명자들은 바이크로매틱 얽힘 소스를 사용하여 양자 네트워킹을 수행하기 위한 방법들을 추가로 개발하였다. 일부 실시예들에서, 방법은 제1 로케이션에서 제1 디바이스를 사용하여 제1 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍을 생성하는 단계 및 제1 로케이션과 상이한 제2 로케이션에 배치된 제2 디바이스를 사용하여 제2 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍을 생성하는 단계를 포함한다. 방법은 제1 및 제2 로케이션들에서 각자의 양자 메모리 디바이스들에 제1 및 제2 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들 각각의 것의 제1 광자를 제각기 저장하는 단계, 및 제1 및 제2 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들 각각으로부터의 제2 광자를 제1 및 제2 로케이션들과 상이한 제3 로케이션에 배치된 제1의 2광자 간섭 측정 디바이스에 송신하는 단계를 추가로 포함한다. 또한, 방법은 송신된 제2 광자들 및 제1의 2광자 간섭 측정 디바이스에 대해 2광자 간섭 측정을 수행함으로써 새롭게 얽힌 광자 쌍을 형성하기 위해 제1 및 제2 로케이션들에서 저장된 제1 광자들의 상태들을 얽히게 하는 단계를 포함한다.

이하에서는 양자 원격통신 시스템들을 위한 동적 편광 드리프트 보정을 구현하기 위한 기법들, 및 그 기법들의 실시예들에 관련된 다양한 개념들의 더 상세한 설명들이 주어진다. 본 명세서에 설명되는 다양한 양태들이 수많은 방식들 중 임의의 것으로 구현될 수 있다는 것을 알 것이다. 특정 구현들의 예들은 단지 예시의 목적으로 본 명세서에 제공된다. 또한, 아래의 실시예들에서 설명되는 다양한 양태들은 단독으로 또는 임의의 조합들로 사용될 수 있으며, 본 명세서에서 명시적으로 설명되는 조합들로만 한정되지는 않는다.

I. 바이크로매틱 얽힌 광자 소스

도 1은 본 명세서에서 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들을 생성하기 위한 디바이스(100)의 개략도이다. 디바이스(100)는 간섭계(130)에 의해 수광될 레이저 빔들을 출력하도록 배열된 제1 레이저(110) 및 제2 레이저(120)를 포함한다. 제1 레이저(110) 및 제2 레이저(120)는 각자의 상이한 주파수들을 갖는 레이저 빔들을 출력하도록 더 배열된다. 예를 들어, 제1 레이저(110) 및 제2 레이저(120)는 간섭계 내의 빔 경로 내에 위치된 원자 증기 셀(136) 내에 저장된 원자 증기의 2개의 원자 천이에 튜닝된 주파수들을 갖는 레이저 빔들을 출력할 수 있다.

일부 실시예들에서, 제1 레이저(110)는 원자 증기 셀(136) 내에서 원자 증기를 형성하는 원자 종들 중 원자들의 제1 원자 천이 에너지와 매칭되도록 선택된 파장을 갖는 제1 레이저 빔(111)을 출력하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 주파수는 적외선 주파수(예를 들어, 1260nm 내지 1675nm 범위의 파장)에 대응할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 레이저(110)는 1324nm 또는 1367nm의 파장을 갖는 제1 레이저 빔(111)을 출력하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 파장은 Rb 원자의 에서 으로의 천이의 여기 에너지와 매칭되도록 선택될 수 있다.

일부 실시예들에서, 제2 레이저(120)는 원자 증기 셀(136)의 원자 증기 내에서 제2 원자 천이 에너지와 매칭되도록 선택된 파장을 갖는 제2 레이저 빔(121)을 출력하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 파장은 NIR(near-infrared) 주파수(예를 들어, 750nm 내지 1000nm 범위의 파장)에 대응할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 레이저(120)는 795nm 또는 780nm의 파장을 갖는 제2 레이저 빔(121)을 출력하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 주파수는 Rb 원자의 에서 으로의 천이의 여기 에너지와 매칭되도록 선택될 수 있다.

일부 실시예들에서, 제1 레이저(110) 및 제2 레이저(120)로부터의 레이저 빔들(111, 121)은 간섭계(130)에 진입하기 전에 하나 이상의 광학 컴포넌트를 통과할 수 있다. 도 1의 예는 파장판들(102)을 통과하는 레이저 빔들(111, 121), 레이저 빔들이 동일 광 경로를 따라 공동 전파하게 야기하도록 구성된 편광 빔스플리터(104), 및 간섭계(130)에 진입하기 전의 반파장판(106) 모두를 보여준다. 일부 광학 컴포넌트들은 옵션일 수 있고, 및/또는 도 1의 예에 도시되지 않을 수 있다는 것을 알아야 한다. 예를 들어, (예로서, 본 명세서의 도 4의 예에 도시된 바와 같이) 원자 증기 셀(136)이 렌즈의 초점에 배치되도록 반파장판(106) 뒤의 및 간섭계(130) 앞의 광 경로 내에 렌즈가 포함될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 간섭계(130) 앞의 이러한 광학 컴포넌트들 중 일부는 간섭계(130)에 포함될 수 있다. 예를 들어, 편광 빔스플리터(104), 및 편광 빔스플리터(104)와 간섭계의 편광 빔스플리터(132) 사이의 임의의 광학 컴포넌트들은 도 1의 예에 도시된 바와 같이 외부가 아니라 간섭계 내에 하우징될 수 있다.

일부 실시예들에서, 간섭계(130)는 편광 빔스플리터(132), 미러들(134), 및 차폐물(138)에 의해 둘러싸인 원자 증기 셀(136)을 포함할 수 있다. 편광 빔스플리터(132)는 제1 레이저(110) 및 제2 레이저(120)로부터의 입사 레이저 빔들을 스플릿하도록 구성될 수 있다. 편광 빔스플리터(132)를 빠져나가는 스플릿 빔들은 수평 및 수직 방향들(제각기 및 로 표시됨)을 따라 편광될 수 있다.

일부 실시예들에서, 편광 빔스플리터를 빠져나가는 레이저 빔들은 미러들(134)에 의해 원자 증기 셀(136)을 향해 지향된다. 원자 증기 셀(136)은 원자 증기의 원자들을 원자 증기 셀(136) 내에 한정하도록 구성된 자기-광학 트랩을 지지하는 하우징을 포함할 수 있다. 원자 증기 셀(136)의 하우징은 오염을 방지하기 위해 기밀 밀봉될 수 있고, 광이 원자 증기 셀(136)에 진입하고 및/또는 빠져나가는 것을 허용하기 위해 하나 이상의 광학적으로 투명한 윈도우를 포함할 수 있다. 원자 증기 셀(136)은 따뜻한 원자 증기 또는 차가운 원자 구름을 한정하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 원자 증기 또는 구름의 원자들은 도파관을 포함하는 칩 상에 배치될 수 있거나 또는 중공 광섬유 내에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 원자 증기 셀(136)은 자기장 및/또는 전기장이 원자 증기 셀(136) 내의 원자 증기에 영향을 미치는 것을 방지하기 위해 차폐물(138)에 의해 둘러싸일 수 있다. 예를 들어, 차폐물(138)은 외부 자기장으로부터 원자 증기를 차폐하기 위해 뮤 금속(mu-metal)으로 형성될 수 있다.

일부 실시예들에서, 원자 증기 셀(136)은, 역전파 펌프 필드들(예를 들어, 레이저 빔들)의 수광 시에, 특정 주파수들의 수광된 광자들을 흡수하고, 2 스테이지 여기 및 붕괴 프로세스를 거치고, 얽힌 편광 상태들을 갖는 광자들을 재방출할 수 있는 원자들을 포함하는 원자 증기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 원자 증기 셀(136)은 Rb의 원자 증기(예를 들어, , 또는 임의의 다른 적합한 동위원소)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 일부 실시예들에서, 원자 증기 셀(136)은 또 다른 알칼리 금속의 원자 증기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 알칼리 금속은 Cs의 동위원소들(예를 들어, , 또는 임의의 다른 적합한 동위원소)을 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, 원자 증기는 2개의 원하는 파장에서 얽힌 광자 쌍들의 생성을 허용하는 2광자 공진을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 도 3a에 도시된 바와 같이, 는 대략 780nm 및 대략 1367nm의 파장들을 갖는 수광된 광에 의한 여기에 응답하여 대략 795nm 및 대략 1324nm의 파장들을 갖는 얽힌 광자들을 생성할 수 있는 천이들 를 따라 2광자 공진(또는 4파 혼합 프로세스)을 나타낸다. 이 예시적인 천이 사이클은 광자들이 자연적으로 기저 상태로 붕괴하기 위한 소수의 경로들을 제공하여, 더 높은 레이트의 얽힘 및 더 적은 출력 비상관된 광자들을 제공한다. 다른 유사한 2광자 공진들이 Rb의 다른 동위원소들 또는 다른 원자계들에 존재할 수 있다는 것을 알아야 한다.

Rb에서의 추가적인 2광자 공진들의 예들이, 본 명세서에서 설명된 기술의 일부 실시예들에 따라, 도 3b 내지 도 3d에서 도시된다. 도 3b 내지 도 3d의 추가적인 예들은 Rb의 유연성을 도시하며, 이는 NIR, O, C, 및/또는 S 대역들에서 파장들의 스펙트럼을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 특정 대역들은 양자 통신 및 계산에 걸쳐 광범위한 응용들을 갖는다. 예를 들어, 파장들 1324nm, 1476nm, 및 1529nm은 각각 O, S, 및 C 텔레콤 대역들에 제각기 대응하고, 긴 거리들에 걸친 광섬유 통신들에 대해 적합한 파장들이다. 덧붙여, 파장들 795nm 및 780nm은 양자 버퍼들 및 센서들에대해 흔히 사용되는 한편, 파장들 776nm 및 762nm은 자유 공간 통신에 대해 적합하다. 마지막으로, 480nm 및 475nm의 파장들이 중성 양자 컴퓨터들(neutral quantum computers) 및 센서들과 같은 일부 리드버그(Rydberg) 및 이온 기술들과 인터페이스하기 위해 사용될 수 있다. 본 명세서에 설명된 바이크로매틱 광자 소스들(예를 들어, 소스들(100, 400, 및/또는 500))과 함께 사용될 수 있는 레이저 파장 쌍들 및 입력 레이저 파장 쌍들의 예들이 본 명세서의 표 1에 제공된다.

표 1에 제공된 레이저 파장 쌍들 및 입력 레이저 파장 쌍들의 특정 예들이 사용되거나 생성될 수 있는 유일한 파장들이 아니라는 것을 알 것인데, 그 이유는 본 명세서에 설명된 기술의 양태들이 이 점에서 제한되지는 않기 때문이다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 레이저 파장 쌍들 및/또는 얽힌 광자 파장 쌍들은 750nm 내지 850nm의 범위 및 1300nm 내지 1600nm의 범위, 또는 750 내지 850nm의 범위 및 450nm 내지 550nm의 범위에 있을 수 있다. 원자 종들의 바라는 원자 천이 에너지들에 대응하는 임의의 적합한 파장들이 이러한 범위들 내로부터 선택될 수 있다.

레이저 파장 쌍들	얽힌 광자 파장 쌍들
780nm; 1367nm	795nm; 1324nm
780nm; 1529nm	795nm; 1476nm
795nm; 1324nm	780nm; 1367nm
795nm; 1476nm	780nm; 1529nm
780nm; 776nm	795nm; 762nm
795nm; 762nm	780nm; 776nm
780nm; 480nm	795nm; 475nm
795nm; 475nm	780nm; 480nm

제1 레이저(110) 및 제2 레이저(120)의 주파수들을 원자 증기 내의 원자의 펌프 주파수들에 튜닝함으로써, 대응하는 2광자 공진이 여기된 원자 상태의 붕괴 시에 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 원자 증기 셀(136)은 도 2a 및 도 2b의 예들에 도시된 바와 같이, 수광된 레이저 빔들의 축을 벗어나는 방향으로 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍의 광자들을 생성하고 출력할 수 있다.

도 1로 돌아가서, 일부 실시예들에서, 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들의 생성된 광자들은 파선들에 의해 표시된 광 경로를 따른다. 생성된 광자들은 미러들(134) 및 편광 빔스플리터(132)를 이용하여 원자 증기 셀(136)로부터 간섭계 밖으로 되돌려 송신될 수 있다. 그 후, 생성된 광자들은 미러들(142), 파장판들(144), 및 주파수 필터들(146)을 포함하는 광학 컴포넌트들에 의해 얽힘 소스(100)로부터 노드들(148)에서 출력될 수 있다. 그 후, 출력 광자들은 필요에 따라 얽힘 소스(100)에 의해 저장 또는 송신될 수 있다.

도 4는 본 명세서에서 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 다중화된 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들을 생성하기 위한 또 다른 바이크로매틱 광자 소스(400)의 개략도이다. 디바이스(400)는 생성된 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들의 공간적 다중화를 제공하도록 구성될 수 있다. 공간적 다중화는 입력 레이저 빔들이 원자 증기 셀(136) 내의 다수의 원자 영역을 동시에 어드레싱하는 것을 허용하여, 얽힘 소스의 휘도 및 헤럴드 효율을 증가시킬 수 있다.

일부 실시예들에서, 다중화는 하나 이상의 음향 광학 편향기(408)(AOD들)에 의해 제공될 수 있다. AOD들(408)은 제1 레이저(110) 및 제2 레이저(120)로부터의 공동-전파 레이저 빔들(111, 121)을 하나 이상의 축을 따라 편향시킬 수 있다. 예를 들어, AOD들(408)은 수평 축을 따라 공간적 패턴을 생성하기 위해 수평 축을 따라 레이저 빔들(111, 121)을 편향시킬 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, AOD들(408)은 수평 및 수직 축들에 의해 정의된 평면에서 2차원 공간적 패턴을 생성하기 위해 수직 축을 따라 레이저 빔들(111, 121)을 편향시킬 수 있다.

일부 실시예들에서, 렌즈(409)는 레이저 빔들을 더 편향시켜, 레이저 빔들이 간섭계(130) 내의 평행 광 경로들을 따라 공동 전파하게 야기할 수 있다. 원자 증기 셀(136)은 렌즈(409)의 초점에 배치될 수 있고, 공동 전파 레이저 빔들은 도 1의 예와 관련하여 설명된 것과 유사하게 간섭계(130) 내에서 원자 증기 셀(136)에게 지향될 수 있다. 레이저 빔들의 광자들의 수광 및 흡수 시에, 원자 증기 셀(136)은 역전파 파선들에 의해 표시된 바와 같이 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들을 출력할 수 있다. 일부 실시예들에서, 생성된 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들은 그 후 간섭계를 빠져나가고, 수집을 위해 AOD들(408)에게 지향되고 추가의 저장 또는 투과를 위해 출력 노드들(148)을 통해 출력될 수 있다.

도 5a는 본 명세서에서 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들을 생성하도록 배열된 또 다른 바이크로매틱 광자 소스(500)의 개략도이다. 바이크로매틱 광자 소스들(100 및 400)과는 대조적으로, 바이크로매틱 광자 소스(500)는 간섭계를 포함하지 않는다. 오히려, 도 5a의 예에 도시된 바와 같이, 바이크로매틱 광자 소스(500)는 제1 레이저 빔(111)을 생성하도록 배열된 제1 레이저(110) 및 제2 레이저 빔(121)을 생성하도록 배열된 제2 레이저(120)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 제1 레이저(110) 및 제2 레이저(120)는 바이크로매틱 광자 소스(500)에 포함되지 않을 수 있고 및 바이크로매틱 광자 소스(500)는 적합한 입력 포트들(묘사되지 않음)을 통해 제1 레이저 빔(111) 및 제2 레이저 빔(121)을 수광할 수 있음을 알아야 한다.

일부 실시예들에서, 제1 레이저 빔(111) 및 제2 레이저 빔(121)은 선택적으로 먼저 빔스플리터들(502)(예를 들어, 50:50 빔스플리터들)을 통과할 수 있다. 빔스플리터들(502)은 제1 레이저 빔(111)의 일부분 및 제2 레이저 빔(121)의 일부분이 출력(503)을 향해 지향되도록 제1 레이저 빔(111) 및 제2 레이저 빔(121)을 스플릿할 수 있다. 출력들(503)은 제1 레이저(110) 및 제2 레이저(120)의 출력들을 원하는 제1 및 제2 파장들에 로킹하도록 구성된 하나 이상의 로킹 디바이스에 광학적으로 결합될 수 있다. 제1 레이저(110) 및 제2 레이저(120)의 양쪽 출력들을 로킹하도록 구성된 로킹 디바이스의 예는 본 명세서에서 도 14 내지 도 17b와 관련하여 설명된다.

일부 실시예들에서, 그 후 제1 레이저 빔(111) 및 제2 레이저 빔(121)은 반파장판들(106) 및 편광 빔스플리터들(104)을 통과할 수 있다. 그 후에 하나 이상의 미러(142)가 제1 레이저 빔(111) 및 제2 레이저 빔(121)을 원자 증기 셀(136) 내로 지향시킬 수 있다. 도 5a의 예에서, 2개의 미러(142)가 제1 레이저 빔(111) 및 제2 레이저 빔(121) 각각에 대해 도시되어 있지만, 본 기술의 양태가 이 점에서 제한되지는 않기 때문에, 임의의 적합한 수의 미러들(142)이 제1 및 제2 레이저 빔들(111, 121)을 지향시키기 위해 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다.

일부 실시예들에서, 바이크로매틱 광자 소스(500)는 제1 및 제2 레이저들(110, 120)과 제1 원자 증기 셀(136) 사이에 위치된 AOD(acousto-optic deflector; 묘사되지 않음)를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 AOD는 제1 및 제2 레이저 빔들(111, 121)을 편향시켜 적어도 하나의 축을 따라 공간적 패턴을 생성하도록 배열될 수 있고, 이에 의해 (예를 들어, 본 명세서에서 도 4의 예와 관련하여 설명된 바와 같이) 생성된 얽힌 광자 쌍들의 다중화를 가능하게 한다.

일부 실시예들에서, 제1 레이저 빔(111)은 제1 방향을 따라 원자 증기 셀(136)에 진입할 수 있고, 제2 레이저 빔(121)은 제1 방향과 상이한 제2 방향을 따라 원자 증기 셀(136)에 진입할 수 있다. 예를 들어, 도 5a에 묘사된 바와 같이, 제2 레이저 빔(121)은 원자 증기 셀(136)의 면에 수직인 방향을 따라 원자 증기 셀(136)에 진입할 수 있다. 제1 레이저 빔(111)은, 제1 레이저 빔(111)이 원자 증기 셀(136)의 면에 평행하지도 수직하지도 않은 각도로 원자 증기 셀(136)에 진입하도록 제2 방향에 대해 각도 로 정의된 제1 방향을 따라 원자 증기 셀(136)에 진입할 수 있다.

일부 실시예들에서, 각도 를 설정하는 것은 바이크로매틱 광자 소스(500)의 출력에서의 원하지 않는 잡음을 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 제1 및 제2 레이저 빔들(111, 121) 간의 상대적 각도 를 조절하면, 원자 증기 셀(136)에 입력되는 레이저 광이 생성된 광자들로부터 공간적으로 분리되게 야기할 수 있다. 예를 들어, 각도 는 X도 내지 Y도 범위의 임의의 적절한 각도일 수 있다. 일부 실시예들에서, 각도 는 대략 2.7°일 수 있다.

일부 실시예들에서, 바이크로매틱 광자 소스(500)는 제1 레이저 빔(111) 및 제2 레이저 빔(121)의 빔 경로들 내에 배치된 원자 증기 셀(136)을 포함한다. 제1 레이저 빔(111) 및 제2 레이저 빔(121)은 원자 증기 셀(136) 내의 로케이션에서 교차하도록 배열될 수 있다. 바이크로매틱 광자 소스들(100 및 400)과 관련하여 설명된 바와 같이, 원자 증기 셀(136)은 원자 증기 형태로 된 원자들을 포함할 수 있다. 원자들은 제1 원자 천이 및 제2 원자 천이를 갖는 원자 종들일 수 있다. 예를 들어, 원자 종들은 루비듐 또는 루비듐 또는 또 다른 알칼리 금속의 임의의 다른 적합한 동위원소일 수 있다.

일부 실시예들에서, 원자 증기 셀(136) 내의 원자들은 제1 레이저 빔(111) 및 제2 레이저 빔(121)에 의해 여기되어, 본 명세서에 설명된 바와 같은 4파 혼합 프로세스를 야기할 수 있다. 제1 레이저 빔(111)은 제1 파장을 가질 수 있고, 제2 레이저 빔(121)은 제1 파장과는 상이한 제2 파장을 가질 수 있다. 바이크로매틱 광자 소스들(100 및 400)과 관련하여 설명된 바와 같이, 제1 파장 및 제2 파장은 원자 증기 셀(136) 내에 배치된 원자 종들의 원자 천이들의 에너지들에 대응하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 제1 파장은 750nm 내지 850nm의 범위에 있을 수 있고, 제2 파장은 1300nm 내지 1600nm의 범위에 또는 450nm 내지 550nm의 범위에 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 파장 및 제2 파장은 본 명세서의 표 1에 설명된 바와 같은 값들을 가질 수 있다.

일부 실시예들에서, 4파 혼합 프로세스는 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍의 생성을 야기할 수 있다. 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍의 광자들은 도 5a의 예에 묘사된 바와 같이 제1 빔 경로(135) 및 제2 빔 경로(137)를 따라 원자 증기 셀(136)을 빠져나갈 수 있다. 원자 증기 셀(136)의 원자들에 의해 흡수되지 않은 제1 레이저 빔(111) 및 제2 레이저 빔(121)의 일부분들은 또한 원자 증기 셀(136)을 빠져나갈 수 있고, 예를 들어, 빔 트랩들(504) 또는 다른 광 흡수 매체에 의해 흡수될 수 있다.

일부 실시예들에서, 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍의 광자들은 제1 광자 및 제2 광자를 포함할 수 있고, 제1 광자는 제3 파장을 갖고 제2 광자는 제3 파장과 상이한 제4 파장을 갖는다. 제3 파장 및 제4 파장은 원자 종들의 2광자 붕괴 경로에서의 원자 천이들의 에너지들에 대응할 수 있다. 예를 들어, 제3 파장은 750nm 내지 850nm의 범위에 있을 수 있고, 제4 파장은 1300nm 내지 1600nm의 범위에, 750nm 내지 850nm의 범위에, 또는 450nm 내지 550nm의 범위에 있을 수 있다. 루비듐 원자들을 포함하는 원자 증기 셀에 대한 이용가능한 파장들의 추가적인 예들이 본 명세서의 표 1에 제공된다. 그러나, 다른 특정 파장들이 다른 적합한 원자 종들(예를 들어, 다른 알칼리 금속들)에 의해 생성될 수 있으므로, 표 1에 제공된 예들은 비제한적이고 비망라적이라는 점을 알아야 한다.

일부 실시예들에서, 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍의 광자들은 이색성 미러들(506a 및 506b) 상에 입사될 수 있다. 이색성 미러들(506a 및 506b)은 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍의 생성된 광자들의 파장들에서의 또는 그 주위의 파장을 갖는 광을 반사하도록 배열될 수 있다. 이색성 미러들(506a 및 506b)은 또한, 원하지 않는 파장들에 있는 광이 빔 경로들(135, 137)의 나머지를 따라 송신되지 않을 수 있도록, 생성된 광자들의 파장들에서의 또는 그 주위의 파장들 이외의 파장들을 갖는 광을 송신하도록 배열될 수 있다.

일부 실시예들에서, 추가적인 미러들(142)이 빔 경로들(135, 137)을 따라 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍의 광자들을 더 조향할 수 있다. 일부 실시예들에서, 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍의 광자들은 그 후에 추가적인 필터들(508)을 통과할 수 있다. 필터들(508)은, 예를 들어, 광대역 필터들(예를 들어, 간섭 필터들, 볼륨 브래그 격자(volume Bragg grating)들) 또는, 대안적으로, 협대역 필터들(예를 들어, 패브리-페롯 에탈론(Fabry-Perot etalon)들)을 포함할 수 있다. 그러한 협대역 필터들을 이용하는 것은 100 정도의 출력 신호 대 잡음비를 제공할 수 있다. 필터링된 후에, 광자들은 그 후 바이크로매틱 광자 소스(500)에 의해 출력될 수 있다.

본 발명자들은, 바이크로매틱 광자 소스들(100, 400, 및/또는 500) 중 임의의 것의 소형화가 개선된 대량 생산, 감소된 폼 팩터, 및 기존의 전기통신 인프라스트럭처와의 통합의 호환성 및 용이성에 유리할 것이라는 점을 추가로 인식하고 알았다. 예로서, 도 5b는 본 명세서에서 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 랙 장착 하우징(540)에 배열된 바이크로매틱 광자 소스(500)의 예시적인 도면을 도시한다. 도 5b의 랙 장착 하우징은 6 인치 x 15 인치 x 2 인치보다 작거나 같은 풋프린트 크기를 가질 수 있어서, 모듈이 다양한 로케이션들 및 실험들에서 사용될 수 있을 뿐만 아니라 배치가능한 랙마운트 유닛에 통합될 수 있음을 보장한다.

일부 실시예들에서, 랙 장착 하우징(540)은, 도 5a와 관련하여 설명된 바와 같이, 제1 및 제2 레이저들(110, 120)에 광학적으로 결합될 수 있는 입력들을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 제1 레이저 빔(111) 및 제2 레이저 빔(121)은 미러들(142)에 의해 원자 증기 셀(136) 내로 조향되기 전에 반파장판들(106) 및 편광 빔스플리터들(104)을 통과할 수 있으며, 여기서 4파 혼합 프로세스가 광자들의 바이크로매틱 얽힌 쌍의 생성을 야기한다. 광자들의 생성된 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍은 그 후 이색성 미러들(506a, 506b) 및 추가적인 미러들(142)에 의해 랙 장착 하우징(540)의 출력들을 향해 조향되고 바이크로매틱 광자 소스(500)에 의해 출력되기 전에 필터들(508)을 통과한다. 그 후에, 출력 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍은 원격통신, 양자 계산, 또는 본 명세서에 설명된 바와 같은 다른 양자 정보 디바이스들과 인터페이스하기 위해 사용될 수 있다.

본 발명자들은 펌프 레이저들(예를 들어, 제1 및 제2 레이저들(110, 120))이 원자 증기의 원자 공진 파장들이 아니라 그 근처의 파장들에서 동작될 때, 원자 증기 셀의 원자들이 필터로서 작용하여, 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들의 출력 및 품질을 감소시킬 수 있다는 것을 추가로 인식하였다. 특히, 펌프 레이저들이 원자 증기의 원자 공진 파장들이 아니라 그 근처의 파장들에서 동작될 때(예를 들어, 대략 1-2GHz만큼; 이러한 오프-공진(off-resonance) 동작은 도 3a에서 Δ로 표시됨), 바이크로매틱 광자 쌍들은 그들 각자의 공진들에 가까운 파장들로 방출된다. 그러나, 4파-혼합 셀은 근처-공진 광자들에 대해 광학적으로 두껍고, 따라서 생성된 광자들은 원자 증기 셀 내에서 여러번 흡수되고 재방출될 수 있다. 이 효과는 근적외선 광자들의 엔빌로프에서의 추가적인 잡음을 야기하고, 생성되는 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들의 수를 감소시킨다.

도 6은 펌프 레이저들이 오프-공진으로 동작될 때 원자 증기 셀에 의해 야기되는 이러한 필터링 효과를 예시한다. 도 6은 원자 공진이 선(604)에 의해 표시되면서, 광자 확률 대 주파수를 예시하는 곡선(602)을 도시한다. 곡선(602)은 단일 광자의 로렌츠 펄스의 원자 증기 셀 오프의 가우시안 필터링(Gaussian filtering)에 의해 야기되는 긴 가우시안 꼬리(Gaussian tail)를 포함한다. 가우시안 꼬리가 큰 선폭을 갖기 때문에, 이것은 온-공진(on-resonance) 로렌츠 펄스에 비해 원자 증기 셀 내에서 더 적은 흡수를 겪어, 가우시안 꼬리가 광자의 엔빌로프를 지배하도록 야기한다. 그에 따라서, 이들 필터링된 광자들은 이들이 많은 양자 디바이스들(예를 들어, 원자 메모리들 또는 좁은 선폭들을 필요로 하는 다른 디바이스들)과 인터페이스할 수 없게 만드는 매우 큰 (예를 들어, 100MHz 초과, 최대 수십 GHz) 선폭들을 가질 수 있다.

본 발명자들은 원자 증기 셀 내의 원자 종들의 원자 천이들과 공진 상태에 있도록 펌프 레이저들(예를 들어, 제1 및 제2 레이저들(110, 120))을 튜닝하는 것이 이러한 필터링 효과들을 완화할 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 덧붙여, 본 발명자들은 그러한 공진 주파수들에서 펌프 레이저들을 동작시키는 것은 원자 증기 셀 내에 V 타입 EIT(electromagnetically-induced transparency)를 생성하기 위한 조건들을 충족시킬 수 있고, EIT는 생성된 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍 중 한 광자의 NIR 파장(예를 들어, 795nm)에서 원자 증기 셀 내에 투명 매질을 생성한다는 것을 인식하고 알았다. V 타입 EIT는 795nm에서 생성된 광자의 선폭을 감소시키기 위해 이용될 수 있으므로, 엄격한 선폭 수용 기준들로 다른 원자 디바이스들(예를 들어, 양자 메모리들)에 바이크로매틱 광자 소스를 결합시키는 효율을 증가시킨다. 더 일반적으로, 선폭의 함수로서의 밝기, 또는 바이크로매틱 광자 소스의 스펙트럼 밝기는 EIT에 의해 증가된다.

도 7은 본 명세서에 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 루비듐의 원자 천이들과 공진하도록 튜닝된 펌프 파장들 및 대응하는 2광자 붕괴 경로를 갖는 예시적인 에너지 레벨 다이어그램을 도시한다. 에너지 레벨 다이어그램은 다이어그램에서 하이퍼파인 스플리팅(hyperfine splitting)을 포함한다. 도 7의 예에서, 780nm 및 1367nm의 펌프 파장들이 제각기 와 상태들 사이의 및 와 상태들 사이의 원자 천이들에 대응한다. 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍의 생성된 광자들은 및 상태들과 및 상태들 사이의 원자 천이들에 각각 대응하는, 1324nm 및 795nm의 파장들을 갖는다.

원자 증기 셀에 의해 생성된 1324nm 광자들은 중간 상태에서의 무시할만한 개체수(population) 때문에 거의 제로 감쇠를 가지며 원자 증기 셀을 통해 전파될 수 있다. 그러나, 약한 구동 한계에서, 원자 증기 셀 내의 원자들의 대부분은 상태에 있다. 이러한 원자 증기 셀의 전형적인 큰 광학 밀도에서, 이는, 795nm 광자들이 원자 증기 셀을 통해 재흡수되고 산란될 수 있으므로, 795nm 광자들에 대해 큰 손실을 초래한다. 780nm 펌프 레이저의 전력 및 주파수를 튜닝함으로써, 산출된 795nm 광자들과 780nm 펌프 레이저 사이에 V 타입 EIT 효과가 유도될 수 있다. V 타입 EIT 효과는 795nm 광자들에 대한 광학 투명 윈도우를 개방하여 그것들이 원자 증기 셀 밖으로 비교적 교란되지 않고 전파되는 것을 허용하여, 더 많은 수의 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들이 원자 증기 셀에 의해 출력되는 결과를 낳는다. 도 8은 전형적인 온도들 및 광학 전력들에서의 원자 증기의 시뮬레이션인 예에 대한 곡선(802)을 도시한다.

도 8은 본 명세서에 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 공진 시에 원자 증기 셀의 원자들을 펌핑함으로써 개방된 EIT 유도된 투명 윈도우의 시뮬레이션을 도시하는 예시적인 플롯이다. 곡선(802)은 출력 광자들의 공진 주파수(예를 들어, 795nm) 근처의 광자들에 대한 투과 계수의 증가를 나타낸다. 이 주파수에서, 출력 광자들은 100dB 이상의 전형적인 손실 대신에 2 팩터 정도의 손실을 경험할 것이다.

그 결과, 원자 증기 셀 내의 원자들의 원자 천이들과 공진하도록 펌프 레이저들[예를 들어, 제1 및 제2 레이저들(110, 120)]에 의해 생성된 파장들을 튜닝함으로써, 원자 증기 셀로부터 성공적으로 출력되는 사용가능한 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들의 수가 상당히 증가된다. 그러나, 높은 레이트("밝은") 얽힘 소스만으로는 양자 디바이스들과 인터페이스하기에 충분하지 않은데, 그 이유는 광자들의 선폭에 대한 영향들을 고려하지 않고서 큰 밝기 값들이 매우 자주 달성되기 때문이다. 예를 들어, 모든 현재 이용가능한 얽힘 소스들은 대략 1-100THz 범위의 선폭들을 갖는 광자들을 생성하지만, 대부분의 양자 컴퓨팅 및 감지 아키텍처들을 커버하는 원자 기반 디바이스들은 통상적으로 수십 MHz보다 넓지 않은 선폭을 갖는 광자들을 수용한다. 이는, 소스가 얼마나 높은 레이트를 갖는지에 관계없이, 대략 10,000,000개의 쌍마다 1 쌍만이 이러한 양자 디바이스들과 인터페이스할 수 있음을 의미한다.

그에 따라서, 더 주의를 기울어야할 더 신뢰성 있는 메트릭은 스펙트럼 밝기인데, 이것은 단위 선폭 당 단위 시간 당 광자들의 레이트(본 명세서에서 )이다. 스펙트럼 밝기의 더 높은 값은 더 좁은 선폭 광자들의 출력의 더 높은 레이트를 나타낸다. 본 발명자들은, 바이크로매틱 광자 소스(500)와 같은 디바이스를 사용하여, 20 내지 200 범위의 스펙트럼 밝기, 및 이론적으로는 20 내지 800,000 범위의 스펙트럼 밝기가 달성가능할 것이라는 점을 관찰하였다. 이러한 값들은 대부분의 다른 상용 얽힘 소스들에서 측정되는 스펙트럼 밝기를 차수 크기만큼(by orders of magnitude) 훨씬 초과한다.

본 발명자들은 온 공진(on-resonance) 펌프 레이저들에 의해 유도되는 V 타입 EIT가 출력 광자들의 선폭의 튜닝을 가능하게 한다는 것을 추가로 인식하고 알았다. 특히, 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍의 스펙트럼 선폭은 원자 증기 셀을 광학적으로 펌핑하기 위해 사용되는 레이저 전력에 크게 좌우된다. 예로서, 도 9a는 예측된 광자 선폭과 입력 펌프 레이저 전력 사이의 관계를 도시하는 시뮬레이션된 플롯이고, 곡선(904)은 포인트들(902)에 피팅된 것이다.

이 효과는 더 높은 전력의 광 펌프들이 더 큰 라비(Rabi) 주파수들을 갖는다는 관찰에 의해 설명될 수 있다. 이러한 더 큰 라비 주파수들은 더 높은 전력의 광 펌프들이 원자 증기 내의 더 많은 수의 속도 등급들과 상호작용하게 야기하며, 이는 도플러 효과의 관점에서 방출된 광자 쌍들에 대한 더 넓은 스펙트럼 폭이라는 결과를 낳는다. 이 효과의 실험적 확인이 도 9b에 도시되는데, 이것은 측정된 광자 선폭 대 입력 펌프 전력의 플롯이며, 곡선(908)은 측정된 포인트들(906)에 피팅된 것이다. 이 실험에서, 780nm 펌프 전력은 변동되는 한편, 1367nm 펌프 전력은 고정되었다. 그 후, 2 차수(second-order) 강도 자기상관 함수의 폭이 출력 795nm 광자에 대해 모니터링되었다. 이 값은 광자 선폭에 직접 상관된다. 도 9a 및 도 9b 모두에서, 출력 광자 선폭에 대해 스케일링이 관찰되어 - 여기서 은 780nm 펌프 레이저의 전력임 -, 광자 선폭과 780nm 펌프 라비 주파수 사이의 예상된 선형 스케일링을 증명한다.

본 발명자들은 펌프 레이저들(예컨대, 제1 및 제2 레이저들(110, 120))의 온 공진 동작(on-resonant operation)에 의해 가능하게 되는 이러한 쉽게 튜닝가능한 광자 선폭이 대략 10MHz 내지 대략 100GHz의 범위에서 또는 대략 10MHz 내지 대략 500MHz의 범위에서 출력 광자 선폭 및 스펙트럼 밝기의 맞춤화를 허용한다는 것을 인식하고 알았다. 이러한 맞춤화는 본 명세서에 설명된 바이크로매틱 광자 소스들(예를 들어, 바이크로매틱 광자 소스들(100, 400, 및/또는 500))이 상이한 선폭 및/또는 스펙트럼 밝기 요건들을 갖는 다수의 양자 기술에 유연하고 보편적으로 결합할 수 있게 한다. 예를 들어, 초협 선폭(ultra-narrow linewidth) 체제(예컨대, 100MHz 하에서)에서, 펌프 레이저 전력을 변경함으로써 광자 선폭이 조절될 수 있다. 이 체제를 넘어서서, 펌프 레이저들을 적절히 디튜닝(detuning)함으로써 (예를 들어, 원자 증기의 원자 천이 에너지에 대응하는 파장이 아니라 그 근처에서(예를 들어, 그로부터 대략 1-2GHz 떨어져서) 펌프 레이저들을 동작시킴으로써) 바이크로매틱 광자 소스들(100, 400, 및/또는 500)을 사용하여 대략 500MHz까지의 선폭들이 달성가능하다.

이러한 선폭 튜닝가능성은 함수들의 시간적 폭의 측정 또는 측정된 코인시던스에 의해 실험적으로 증명되었다. 이 측정의 예가 도 10에 도시되어 있으며, 여기서 값들은 상이한 시간적 빈(bin)들, τ에 대해 도시되어 있다. 곡선(1002)은 1mW의 780nm 펌프 전력을 이용하여 수집된 한편, 곡선(1004)은 10mW의 780nm 펌프 전력을 이용하여 수집되었다. 곡선(1004)은 곡선(1002)보다 현저하게 시간적으로 더 좁아서, 생성된 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들에 대해 780nm 펌프 전력을 조절하는 효과를 보여준다.

본 발명자들은 본 명세서에 설명된 바이크로매틱 광자 소스들의 열적 속성을 확인하였다. 도 11a 및 도 11b는 본 명세서에서 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 바이크로매틱 광자 소스의 2개의 출력 아암에 대한 핸버리 브라운-트위스(Hanbury Brown-Twiss) 측정들을 이용하여 측정된 2 차수 자기상관 함수들, 를 도시한다. 각각의 출력 광자 아암이 대략 4MHz FWHM(full width at half maximum) 캐비티(예를 들어, 스캐닝 패브리-페롯 캐비티)를 통과한 후에 2 차수 강도 자기상관 함수들(1102 및 1104)이 측정되었다. 도 11a 및 도 11b에서 볼 수 있는 바와 같이, 출력 광자 아암들 양쪽에 대하여, 는 τ=0 주위에서 번칭(bunching)을 보여준다. 검출기들의 시간적 선폭을 고려함으로써, 출력 광자 아암들 둘 다는 순수 열 소스에 대한 의 예상 값과 일관된다.

이 시간적 상관은 코시-슈바르츠(Cauchy-Schwartz) 부등식에 의해 설정된 고전적인 경계를 위반한다. 고전적으로, 펌프 레이저들의 2 차수 자기상관 함수들은 다음과 같이 쓰여질 수 있다:

여기서 첨자 S 및 I는 스토크스(Stokes) 및 아이들러(idler) 레이저 소스들을 표시하고, I(t)는 강도를 나타내며, 은 시간 평균량을 나타낸다. 코시-슈바르츠 부등식은 다음과 같다:

이 부등식으로부터, 이하가 도출될 수 있다:

바이크로매틱 광자 소스(500)와 같은 바이크로매틱 광자 소스로부터 취득된 실험 데이터에 대해, 이 측정된 값은 다음과 같다:

이 값은 코시-슈바르츠 부등식의 명백한 위반이고, 이 소스가 비고전적으로 시간적으로 상관된다는 것을 입증한다.

그러나, 광자 쌍 소스는 반드시 얽히게 되지는 않는 비고전적으로 시간적으로 상관된 광자들을 산출할 수 있다. 따라서, 본 발명자들은 본 명세서에 설명된 바이크로매틱 광자 소스들에 의해 생성된 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들을 포함하는 광자들의 얽힌 성질을 더 확인하였다. 바이크로매틱 광자 소스가 동일한 편광을 갖는 2개의 선형 편광된 펌프 레이저로 구동될 때 (예를 들어, 펌프 레이저들 둘 다가 H 편광될 때), 에서 으로의 및 에서 으로의 2광자 천이들이 자기 양자 수의 제로 시프트라는 결과를 낳는다(예를 들어, ). 채워지는 상부 여기 상태들 각각에 대한 분기 비율(branching ratio)은 정확히 및 천이들로의 1/3 스플릿이다. 총 2광자 캐스케이드 붕괴가 이어야만 한다는 것을 고려하면, 일단 2광자 상태들이 H 및 V 편광 상태들 상으로 투사되면, 출력 얽힌 쌍 상태는 다음 형태의 편광을 갖는다:

이 편광을 확인하기 위해, 편광기들이 바이크로매틱 광자 소스의 각각의 출력 아암 상에 배치된다. 그 후, 편광기들이 회전됨에 따라 코인시던스들이 측정된다. 도 12a 및 도 12b는 바이크로매틱 광자 소스의 795nm 출력 광자 아암 대 795nm 출력 아암 상에 배치된 편광기의 회전 각도에 대한 이러한 측정된 코인시던스들을 도시한다. 곡선들(1202, 1204, 1206, 및 1208)은 1324nm 출력 광자 아암에 대해 상이한 편광기 각도들(예를 들어, 제각기 232°, 277°, 254.5°, 및 299.5°)로 취해진 측정들에 대한 사인파 피트(sinusoidal fit)들이다. 사인파 곡선들은 출력 광자들의 벨 상태를 확인한다.

이러한 측정들은 공통 벨 부등식인 CHSH 부등식의 위반도 나타내기 위해 사용될 수 있다. 파라미터 를 정의하면:

여기서, 는 반파장판 각도들 a 및 b에 대한 검출기 및 (즉, 2광자(biphoton) 소스의 2개의 아암) 사이의 코인시던스들을 나타내며, 고전적으로 다음과 같은 것이 보여질 수 있다:

본 명세서에 설명된 바이크로매틱 광자 소스들로부터의 취득된 측정들로부터, 다음이 입증되었다:

따라서 CHSH 부등식이 위반되어, 바이크로매틱 광자 소스들이 얽힌 광자들의 쌍들을 산출한다는 분명한 증거를 제공한다.

도 13은 본 명세서에서 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 광자들의 얽힌 쌍(예컨대, 광자들의 바이크로매틱 얽힌 쌍)을 생성하기 위한 프로세스(1300)를 기술하는 흐름도이다. 프로세스는 본 명세서에 설명된 바와 같은 바이크로매틱 광자 소스들(100, 400, 및/또는 500) 중 임의의 하나, 또는 이들의 임의의 적합한 대안적인 배열을 사용하여 수행될 수 있다. 프로세스(1300)는 선택적으로 액트(act)(1302)에서 시작될 수 있으며, 여기서 제1 레이저를 이용하여 제1 레이저 빔이 생성되고, 제1 레이저 빔은 제1 파장을 갖는다. 일부 실시예들에서, 제1 레이저는 바이크로매틱 광자 소스로부터 원격으로(예를 들어, 제1 원자 증기 소스에 대해 상이한 방, 상이한 건물, 및/또는 상이한 설비에) 위치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 레이저는 바이크로매틱 광자 소스와 공동 위치될 수 있다(예를 들어, 제1 원자 증기 소스와 동일한 방에, 동일한 하우징에, 동일한 랙 장착 하우징에).

액트(1302) 후에, 프로세스(1300)는 선택적으로 액트(1304)로 진행할 수 있는데, 여기서 제2 레이저를 사용하여 제2 레이저 빔을 생성하고, 제2 레이저 빔은 제1 파장과 상이한 제2 파장을 갖는다. 일부 실시예들에서, 제2 레이저는 바이크로매틱 광자 소스로부터 원격으로(예를 들어, 제1 원자 증기 소스에 대해 상이한 방, 상이한 건물, 및/또는 상이한 설비에) 위치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 레이저는 바이크로매틱 광자 소스와 공동 위치될 수 있다(예를 들어, 제1 원자 증기 소스와 동일한 방에, 동일한 하우징에, 동일한 랙 장착 하우징에).

일부 실시예들에서, 제1 및 제2 레이저 빔들을 생성하는 것은 본 명세서에 설명된 바와 같은 (예를 들어, 표 1에 설명된 바와 같은) 임의의 적합한 파장 값들에 튜닝된 제1 및 제2 파장들을 갖는 레이저 빔들을 생성하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 및 제2 레이저 빔들을 생성하는 것은 750nm 내지 850nm 범위의 파장 값에 튜닝된 제1 레이저 빔을 생성하는 것 및 450nm 내지 550nm, 750nm 내지 850nm, 및/또는 1300nm 내지 1600nm 범위의 파장 값에 튜닝된 제2 레이저 빔을 생성하는 것을 포함할 수 있다.

액트(1304) 후에, 프로세스(1300)는 액트(1306)로 진행할 수 있고, 여기서 제1 원자 증기 셀을 통해 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔을 통과시킴으로써 제1 원자 증기 셀에서의 4파 혼합 프로세스가 야기된다. 일부 실시예들에서, 제1 원자 증기 셀을 통해 제1 레이저 빔을 통과시키는 것은 제1 원자 증기 셀의 면에 수직인 제1 방향을 따라 제1 레이저 빔을 지향시킴으로써 수행된다. 그 후, 제1 원자 증기 셀을 통해 제2 레이저 빔을 통과시키는 것은 제1 방향과 제2 방향 사이의 각도 에 의해 정의된 제2 방향을 따라 제2 레이저 빔을 지향시킴으로써 수행될 수 있다. 각도 는 생성된 얽힌 광자 쌍들에서의 잡음을 감소시키도록 선택될 수 있다. 그에 따라서, 본 명세서에 설명된 바와 같이, 각도 는 0°보다 크고 5° 이하일 수 있거나, 또는 일부 실시예들에서는 2.7°일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔은 각도 가 0°보다 크고 180° 이하일 수 있도록 역전파 배열로 배열될 수 있다.

일부 실시예들에서, 제1 원자 증기 셀은 원자 종들의 원자들을 포함하고, 원자들은 원자 증기의 형태를 갖는다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 원자 종들은 루비듐일 수 있다. 대안적으로, 일부 실시예들에서, 원자 종들은 루비듐의 하나 이상의 동위원소 또는 임의의 다른 적합한 알칼리 금속(예를 들어, 세슘)의 하나 이상의 동위원소일 수 있다. 원자 종들은 제1 원자 천이 및 제2 원자 천이를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 원자 천이는 기저 상태로부터 제1 여기 상태로의 것이 될 수 있고 제2 원자 천이는 제1 여기 상태로부터 제2 여기 상태로의 것이 될 수 있다.

일부 실시예들에서, 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔의 제1 파장 및 제2 파장은 제1 원자 증기 셀 내의 원자 종들의 제1 원자 천이 및 제2 원자 천이와 공진하도록 튜닝될 수 있다. 예를 들어, 제1 파장은 루비듐의 에서 으로의 원자 천이와 공진하는 대략 780nm의 제1 파장에 튜닝될 수 있다. 그 후, 제2 파장은, 루비듐의 에서 으로의 원자 천이와 공진하는, 대략 1324nm의 제2 파장에 튜닝될 수 있다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 원자 증기 온-공진(on-resonance)을 펌핑함으로써, V 타입 EIT 효과가 제1 원자 증기 셀에서 유도될 수 있고, 그에 의해 스펙트럼 밝기를 증가시키고, 생성된 얽힌 광자 쌍들의 광자 선폭의 튜닝가능성을 가능하게 한다. 결과적으로, 생성된 얽힌 광자들은 대략 10MHz 내지 대략 100GHz의 범위의 또는 대략 10MHz 내지 대략 500MHz의 범위의 광자 선폭 및/또는 내지 의 범위의 스펙트럼 밝기를 가질 수 있다.

일부 실시예들에서, 액트(1306) 후에, 프로세스(1300)는 액트(1308)로 진행할 수 있다. 액트(1308)에서, 광자들의 얽힌 쌍은 4파 혼합 프로세스의 결과로서 생성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광자들의 얽힌 쌍은 제3 파장을 갖는 제1 광자 및 제4 파장을 갖는 제2 광자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제3 파장은 750nm 내지 850nm의 범위에 있을 수 있고, 제4 파장은 1300nm 내지 1600nm, 750nm 내지 850nm, 또는 450nm 내지 550nm의 범위에 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 제3 파장 및 제4 파장은 (예를 들어, 본 명세서의 표 1과 관련하여) 본 명세서에 설명된 임의의 적합한 값들일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 제3 파장은 대략 795nm일 수 있고, 제4 파장은 대략 1324nm 또는 대략 1449nm일 수 있다.

광자들의 얽힌 쌍이 생성된 후, 이들은 제1 원자 증기 셀 및 바이크로매틱 광자 소스로부터 출력될 수 있다. 일부 실시예들에서, 생성된 광자들의 얽힌 쌍은 광섬유 커플러(fiber optic coupler)들을 통해 바이크로매틱 광자 소스로부터 출력될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광자들의 얽힌 쌍이 제1 원자 증기 셀로부터 출력된 후에 그리고 바이크로매틱 광자 소스로부터 출력되기 전에, 광자들의 얽힌 쌍은 필터링될 수 있다. 예를 들어, 광자들은 광대역 필터(예를 들어, 간섭 필터들, 볼륨 브래그 격자들) 또는 대안적으로 협대역 필터들(예를 들어, 패브리-페롯 에탈론들)을 사용하여 필터링될 수 있다.

일부 실시예들에서, 프로세스(1300)는 선택적으로 제1 레이저 빔을 제1 파장에 로킹하고 제2 레이저 빔을 제2 파장에 로킹하는 것을 포함한다. 로킹은 로킹 디바이스를 이용하여 수행될 수 있다; 로킹 디바이스의 추가적인 양태가 도 14 내지 도 17b와 관련하여 본 명세서에 설명된다.

일부 실시예들에서, 제1 및 제2 레이저 빔들을 제1 및 제2 파장들에 로킹하는 것은 제1 레이저 빔으로부터의 광의 일부분을 제2 원자 증기 셀을 통해 그리고 제1 광검출기 상으로 그리고 제2 광검출기 상으로 지향시키는 것을 포함한다. 로킹은 또한 제2 레이저 빔으로부터의 광의 일부분을 제2 원자 증기 셀을 통해 지향시키는 것을 포함한다. 제1 레이저 빔으로부터의 광의 일부분은 제2 원자 증기 셀의 제1 및 제2 영역들을 통해 지향될 수 있는 한편, 제2 레이저 빔으로부터의 광의 일부분은 제2 원자 증기 셀의 제2 영역이 아니라 제1 영역을 통해 지향될 수 있다. 제2 레이저 빔으로부터의 광의 일부분은 제1 광검출기 또는 제2 광검출기 중 어느 하나에 입사하지 않을 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 레이저 빔으로부터의 광의 일부분 및 제2 레이저 빔으로부터의 광의 일부분은 각각 비편광된다.

일부 실시예들에서, 제2 원자 증기 셀은 제1 원자 증기 셀 내에 포함된 것과 동일한 원자 종들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 원자 증기 셀들은 둘 다 루비듐 원자들을 포함할 수 있다. 대안적으로, 제1 및 제2 원자 증기 셀들은 둘 다 다른 적합한 동위원소들 및/또는 알칼리 금속 원자들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 원자 증기 셀은 등방성으로 순수한 원자 증기 셀일 수 있고, 제2 원자 증기 셀은 자연적으로 생기는 동위원소들의 혼합물을 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, 제1 레이저 빔은 제1 광검출기에 의해 산출된 신호들(예를 들어, 전기 신호들)에 기초하여 제1 파장에서 로킹될 수 있다. 제1 광검출기에 의해 산출되는 신호들은 제2 원자 증기 셀 내의 원자 종들의 특성 천이 주파수에서 제2 원자 증기 셀의 원자들에 의한 제1 레이저 빔으로부터의 광의 일부분의 감쇠량을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 제1 파장에서 제1 레이저 빔을 로킹하는 것은 제1 레이저에 입력된 전압을 변조하고 및 제1 광검출기에 의해 산출된 신호들에 기초하여 생성된 제1 오류 신호를 측정함으로써 수행될 수 있다.

일부 실시예들에서, 제2 파장에서 제2 레이저 빔을 로킹하는 것은 제2 광검출기에 의해 산출된 신호들(예를 들어, 전기 신호들)에 기초하여 수행될 수 있다. 제2 광검출기에 의해 산출되는 신호들은 특성 천이 주파수에서 제2 원자 증기 셀의 원자들에 의한 제1 레이저 빔으로부터의 광의 일부분의 감쇠량을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 제2 파장에서 제2 레이저 빔을 로킹하는 것은 제2 광검출기에 의해 산출된 신호들의 더 큰 감쇠를 야기하는 제2 레이저에 입력된 전압을 식별함으로써 수행될 수 있다.

II. 레이저의 파장 로킹

많은 원자 기반 양자 기술들에 대해, 원자 기반 양자 기술은 레이저에 의한 특정 원자 천이(들)의 자극(stimulation)에 좌우된다. 그에 따라서, 레이저 생성 광의 파장은 바라는 원자 천이들을 효과적으로 자극하기 위해 특정 값에 튜닝될 필요가 있을 수 있으며, 바라는 파장에 안정적으로 유지될 필요가 있을 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에서 바이크로매틱 광자 소스들(100, 400, 및/또는 500)과 관련하여 설명된 바와 같이 루비듐 원자들로 작업할 때, 제1 레이저를 780nm 빔에 안정화시키는 것이 바람직할 수 있다. 광섬유 및 원격통신 응용들을 위해 더 높은 파장에서 제2 레이저를 동작시키는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 광을 원격통신 주파수들에 안정화하는 것은 루비듐과 같은 재료의 실온 증기에서의 여기 상태들에 있는 원자 집단의 결여로 인해 도전적인 과제가 된다.

본 발명자들은 상이한 파장들을 갖는 다수의 레이저를 안정화하기 위한 기법들 및 바이크로매틱 광자 소스들(예를 들어, 본 명세서에서의 바이크로매틱 광자 소스들(100, 400, 및/또는 500) 중 임의의 것)과 연계된 이러한 안정화 기법들의 사용을 인식하고 알았다. 일부 실시예들에서, 하나의 파장은 원격통신 또는 양자 계산에서 흔히 사용되는 파장일 수 있다. 원자 증기 셀 내의 원자들은 2개의 상이한 여기 상태로 여기될 수 있고, 이들 상태는 포화 분광법(saturation spectroscopy)을 통해 검출된다. 특히, 제1 레이저로부터의 광은 다수의 빔이 되도록 스플릿될 수 있고, 이들 빔은 원자 증기 셀의 2개의 상이한 영역을 통해 그리고 2개의 상이한 광검출기 상으로 지향될 수 있다. 이 광은 셀의 각각의 영역 내의 원자들을 제1 여기 상태로 여기시킬 수 있다. 제1 레이저로부터의 추가 광은 광이 감쇠되는 정도를 검출하기 위해 여기된 원자들을 통과할 수 있고, 그에 의해 제1 레이저가 여기에 대응하는 제1 주파수에 적절히 튜닝되는지를 검출할 수 있다. 광이 최대로 감쇠되지 않는 경우, 원자들의 밀도가 주어지면, 이는 제1 레이저가 올바른 주파수에 튜닝되지 않고 그럼으로써 원하는 여기를 산출하지 않는다는 것을 함의한다. 더욱이, 제2 레이저로부터의 광은 셀의 2개의 영역 중 오직 하나 상으로 지향되어, 제1 여기 상태로부터 제2의, 더 높은, 여기 상태로의 추가의 여기들을 야기할 수 있다. 제1 레이저로부터의 추가 광은 광이 감쇠되는 정도를 검출하기 위해 이들 여기된 원자를 통과할 수 있고, 그에 의해 제2 레이저로부터의 광이 더 높은 여기에 대응하는 제2 주파수에 적절히 튜닝되는지를 검출할 수 있다. 그 결과, 제1 레이저로부터의 광의 앞서 언급한 흡수로부터 신호들을 측정하는 2개의 광검출기는 양쪽 레이저들의 주파수를 고정하기 위해 이용될 수 있는 신호들을 산출할 수 있다.

일부 실시예들에 따르면, 레이저의 출력 파장을 안정화하는 일반적인 프로세스가 도 14에 예시되어 있다. 시스템(1400)은 (예를 들어, 원자 기반 양자 시스템과 같은 양자 시스템 상으로 지향되는) 실험에 사용되는 레이저(1410)를 포함한다. 레이저(1410)로부터의 광은 또한, 레이저(1410)의 주파수가 원하는 주파수에서 구동되고 있는 정도를 나타내는 하나 이상의 신호를 산출할 수 있는 디바이스인 로킹 기준 디바이스(1412) 상으로 지향된다. 로킹 기준은 레이저를 구동하는 제어 유닛(1414)에 제공되는 현재 레이저 주파수를 나타내는 오류 신호를 산출하기 위해 다양한 기술들을 이용할 수 있다. 예를 들어, 오류 신호는 원하는 주파수로부터의 레이저의 편차에 비례하는 전자 신호일 수 있다.

일부 실시예들에서, 제어 유닛은 작은 범위의 주파수들에 걸쳐(예를 들어, 수백 THz에서 동작하는 레이저에 대해 수백 MHz에 걸쳐) 레이저의 주파수 및/또는 진폭을 반복적으로 변조하여 현재 레이저 주파수에 대한 원하는 주파수로부터의 편차를 나타내는 오류 신호들을 산출할 수 있다. 통상적으로, 오류 신호는 레이저 주파수가 원하는 주파수보다 높은지 또는 낮은지를 그의 값으로부터 알아내는 것이 가능하도록 구성되며, 그에 의해 제어 유닛이 레이저의 주파수를 증가 또는 감소(예를 들어, 레이저에 입력되는 전압을 증가 또는 감소)시키기 위해 레이저 제어를 어떻게 조절해야 하는지를 나타내는 피드백을 제어 유닛에 제공한다. 따라서, 적절한 로킹 기준 디바이스를 사용함으로써, 전술한 피드백 루프는 레이저를 원하는 주파수에서 안정적으로 유지할 수 있으며, 이는 레이저를 "로킹하는 것"으로도 지칭될 수 있다.

도 15는 본 명세서에서 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 2개의 상이한 파장에서 2개의 상이한 레이저를 로킹하기 위한 예시적인 디바이스(1500)의 개략도이다. 도 15의 예에서, 시스템(1500)은 제1 레이저(1501)(근적외선 범위, 예를 들어, 780nm에서의 또는 그 주변의 공칭 파장을 가질 수 있음) 및 제2 레이저(1502)(원격 통신을 위해 통상적으로 사용되는 범위, 예를 들어, 1367nm에서의 또는 그 주변의 공칭 파장을 가질 수 있음)를 포함한다. 시스템(1500)은 다음의 프로세스를 사용하여 2개의 레이저(예를 들어, 제1 레이저(110) 및 제2 레이저(120))의 출력 파장들을 안정화("로킹")하도록 구성된다.

레이저들(110 및 120)로부터의 광이 시스템(1500)에서 따르는 경로들을 먼저 설명하기 위해, 레이저(110)로부터의 광은 입력(1501)에서 시스템(1500)에 진입하고 50:50 빔스플리터(1508)에 입사한다. 레이저(110)로부터의 광의 일부분은 스플릿된 다음, 50:50 빔스플리터(1509), 감쇠기(1510)를 통해, 및 원자 증기 셀(1536)의 상부 부분을 통해 통과한다. 레이저(110)가 증기 셀(1536) 내의 원자들의 원자 천이에 대응하는 파장에 적절히 튜닝되는 경우, 이러한 광은 빔 경로 내의 원자들을 더 높은 에너지 레벨로 여기시킬 수 있다. 이러한 에너지 레벨들의 예시적 예가 루비듐에 대해 도 16a에 도시되어 있고, 기저 상태 에너지 레벨(1601)과 제1 여기 상태(1602) 사이의 제1 여기(1610)가 도시되어 있다. 루비듐의 경우, 이러한 여기 에너지(1610)는 대략 780nm의 파장에 상응한다. 따라서, 이 파장에 튜닝되고 그리고 그들의 기저 상태에 있는 루비듐 원자들 상으로 지향되는 레이저는 그 원자들 중 일부분을 여기 상태(1602)로 여기시킬 것이다.

증기 셀(1536)을 통과한 레이저(110)로부터의 광은 그 후 단파장 통과 미러(shortpass mirror)(1506)(예컨대, 비교적 더 낮은 파장들을 투과시키고 비교적 더 높은 파장들을 반사시키도록 구성된 이색성 미러)를 통해 포토다이오드(1514) 상으로 통과한다. 포토다이오드(1514)로부터의 신호가 레이저(120)를 로킹하기 위해 이용될 수 있는 방식이 아래에 설명될 것이다.

50:50 빔스플리터(1508)에 의해 50:50 빔스플리터(1509) 내로 반사되지 않은 레이저(110)로부터의 다른 광은 50:50 빔스플리터(1508)에 의해 원자 증기 셀(1536)의 하부 부분 내로 반사된다. 증기 셀 내의 원자들은 이 광에 의해 여기될 수 있고, 이것은 그 후 ND 필터 컴포넌트(1510)에 의해 반사된다(이는 또한 광을 감쇠시킨다). 그 후 광은 증기 셀(1536)을 통해 그리고 50:50 빔스플리터(1508)를 통해 포토다이오드(1512) 상으로 되돌려 이동한다. 반사된 광은 증기 셀(1536)의 왼손 부분에 진입하는 초기 광에 비해 감쇠되고 역전파되며, 초기 광이 증기 셀 내의 원자들을 여기시킨 정도에 기초하여 감쇠될 수 있다. 그 후 이 광은 포토다이오드(1512)에 입사한다. 포토다이오드(1512)로부터의 신호는 아래에 설명되는 바와 같이, 제1 레이저(110)를 로킹하기 위해 이용될 수 있다.

제2 레이저(120)로부터의 광은 또한 미러들(1524) 및 단파장 통과 미러(1506)를 통해 증기 셀(1536)의 상부 부분 내로 반사된다. 제2 레이저(120)가 증기 셀(1536) 내의 원자들의 원자 천이에 대응하는 주파수에 적절히 튜닝되는 경우, 이 광은 그러한 원자들을 더 높은 에너지 레벨로 여기시킬 수 있다. 특히, 제2 레이저(120)는 바람직하게는 전술한 바와 같이 레이저(110)에 의해 제1 에너지 레벨로 여기된 원자들이 레이저(120)로부터의 광에 의해 더 높은 에너지 레벨로 더 여기될 수 있도록 튜닝될 수 있다. 도 16a의 도면으로 돌아가면, 예를 들어, 루비듐에 대해, 제1 여기 상태(1602)로 여기된 원자들은 제2 여기(1611)를 통해 상태(1603)로 더 여기될 수 있다. 루비듐의 경우에, 이 여기 에너지(1611)는 대략 1367nm에 대응하고, 따라서 이 파장에 튜닝되고 그리고 그들의 제1 여기 상태(1602)에 있는 루비듐 원자들 상으로 지향된 레이저는 이들 원자들 중 일부분을 여기 상태(1603)로 여기시킬 것이다.

도시된 것들 이외의 컴포넌트들이 시스템(1500)에서 이용될 수 있다는 것을 알 것이다. 예를 들어, 단파장 통과 미러(1506) 대신에, 2개의 입사 빔을 조합하기 위해 빔스플리터가 이용될 수 있다.

상기 구성의 결과로서, 다음의 효과들이 관찰될 수 있다. 첫째, 포토다이오드(1512)에 입사하는 광은 레이저(110)로부터의 광이 여기(1610)에 대응하는 파장에 튜닝되었을 때 더 큰 감쇠를 보여줄 것이다. 이 효과는 도 16b에 도시되어 있는데, 도 16b는 레이저에 입력되는 전압(레이저의 주파수와 동등한 것으로 간주될 수 있음) 대 포토다이오드에 의해 측정되는 전압(레이저의 측정된 진폭과 동등한 것으로 간주될 수 있음)을 예시하고 있다. 라인(1621)("텔레콤이 없음")에 집중하면, 특정 입력 전압들(파장들)에서, 포토다이오드(1512)에 의해 산출된 포토다이오드 신호가 감쇠된다는 것을 알 수 있다. 이 효과는 원자 천이의 에너지와 정렬되는 레이저 파장에 의해 야기된다. 이러한 상황에서, 레이저는 원자들을 더 높은 에너지 상태로 여기시키고, 증기 셀을 통해 투과되는 광의 양은 감소된다. 이러한 효과에 기초하여, 레이저(110)는 도 14와 관련하여 논의된 방법 또는 다른 방법을 통해 원자 천이의 파장에 로킹될 수 있다. 예를 들어, 레이저 입력 전압은 작은 범위의 값들에 걸쳐 스위핑(sweeping)될 수 있고, 포토다이오드들은 이러한 입력 전압들에 대한 감쇠의 양들을 나타내는 값들을 산출할 수 있다. 레이저가 특정의 관심 전압 범위 내에서의 (예컨대, 도 16b에 도시된 상이한 감쇠들 중 특정의 감쇠 주변에서의) 포토다이오드 신호의 최대 감쇠에 대응하는 적절한 전압에 구동될 수 있도록 적절한 오류 신호가 생성될 수 있다.

시스템(1500)에 의해 산출되는 추가적 효과는 레이저(120)로부터의 광이 여기(1611)에 대응하는 파장에 튜닝되었을 때 포토다이오드(1514)에 입사되는 광이 더 적은 감쇠를 보여줄 것이라는 점이다. 위에서 설명된 바와 같이, 포토다이오드(1514) 상으로 입사하는 광은 증기 셀(1536)의 상부 부분을 통과하고, 레이저들(110 및 120) 둘 다로부터의 광은 해당 부분 내로 지향된다. 그 결과, 레이저(110)가 여기(1610)에 대응하는 파장에서 로킹되는 경우, 증기 셀의 상부 부분의 원자들 중 일부는 제1 여기 상태(1602)로 여기될 것이다. 더욱이, 레이저(120)가 여기(1611)에 대응하는 파장에서 로킹되는 경우, 제1 여기 상태의 원자들 중 일부는 제2 여기 상태(1603)로 더 여기될 것이다. 원자 증기 셀(1536)을 통과하는 레이저(110)로부터의 광은 원자 증기 셀 내의 원자들이 제1 여기 상태에 있는 정도에 기초하여 감쇠될 것이기 때문에, 이러한 원자들 중 일부분을 제2 여기 상태로 더 여기시키는 것은 레이저(110)로부터의 광이 겪은 감쇠의 양을 감소시킬 것이다. 이 효과는 또한 도 16b에 묘사되어 있는데, 도 16b는 하이라이트된 감쇠된 영역에서의 포토다이오드(1514) 신호를 곡선(1622)("텔레콤을 가짐")으로 보여주고 있으며, 레이저(120)에 의해 야기되는 증기 셀 내의 원자들에 대한 효과로 인해 감쇠의 양이 포토다이오드(1512) 신호에 대한 경우보다 감소하였다는 것(즉, 포토다이오드 전압이 양(1623)만큼 더 높다는 것)을 나타내고 있다.

이러한 효과들의 결과로서, 레이저들(110 및 120) 둘 다는 원자 천이들(1610 및 1611)에 대응하는 원하는 파장들에 로킹될 수 있다. 레이저(110)는 포토다이오드(1512)로부터의 출력을 이용하여 앞서 논의된 바와 같이 도 16b에 도시된 스펙트럼의 감쇠된 영역의 위치를 탐색함으로써 원자 천이(1610)에 대응하는 파장에 로킹될 수 있다. 레이저(120)는 포토다이오드(1514)로부터의 출력을 사용하여 스펙트럼의 감쇠된 영역 내에서의 신호(1623)의 감소된 감쇠의 존재를 식별함으로써 원자 천이(1611)에 대응하는 파장에 로킹될 수 있다.

위에서 논의된 이러한 프로세스의 하나의 장점은 기법들이 레이저(110) 또는 레이저(120)로부터의 광의 임의의 편광 상태들에 의해 제한되지 않는다는 것일 수 있다. 이와 같이, 광의 편광 상태들이 (예를 들어, 양자 정보를 인코딩하기 위해) 실험에서 사용되는 경우, 시스템(1500)이 광의 편광 상태들에 의존하지 않고 그에 의해 영향을 받지 않으므로, 위에서 설명된 로킹 시스템이 성공적으로 구현될 수 있다. 이와 같이, 일부 실시예들에서, 레이저(110) 및/또는 레이저(120) 각각은 편광되지 않은 광을 시스템(1500)에 입력할 수 있다. 일부 실시예들에서, 시스템(1500)은 상기 광학 요소들에 입사하는 광의 편광 상태에 의존하는 어떠한 광학 요소들도 포함하지 않을 수 있다.

더욱이, 루비듐의 예시적인 예는 단지 하나의 예로서 제공되는 것 및 루비듐의 대안적인 795nm 및 1324nm 천이들, 본 명세서에 설명된 루비듐의 임의의 다른 대안적인 천이들, 임의의 적합한 알칼리 원자들, 또는 임의의 다른 적합한 원자를 포함하는 다른 펌핑 방식들이 임의의 다른 원자 사다리 시스템(atomic ladder system)으로 구상될 수 있다는 것을 알 것이다. 그에 따라서, 본 명세서에 설명된 기법들은 당해 원자들 또는 파장들에 관계없이 원자 사다리 방식을 위해 사용될 수 있다.

일부 실시예들에 따르면, 도 15에 도시된 단일 증기 셀(1536) 대신에 2개의 별개의 원자 증기 셀이 이용될 수 있다. 예를 들어, 설명된 바와 같이 광을 원자 증기 셀의 2개의 별개의 영역 내로 지향시키는 대신에, 2개의 구별되는 증기 셀이 사용될 수 있고, 광은 각각의 셀 내로 별개로 지향된다. 일부 실시예들에 따르면, 증기 셀(1536)은 (예를 들어, 약 40°C로) 가열될 수 있거나, 실온에서 유지될 수 있다.

도 17a 및 도 17b는 본 명세서에 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 랙 장착가능한 하우징 내에 배열된 예시적인 로킹 디바이스(1700)를 도시한다. 도 17a 및 도 17b의 예에서, 동일한 디바이스가 도시되지만, 상이한 광 경로들이 예시의 목적을 위해 강조된다. 디바이스(1700)는 별개의 광 입력들(예를 들어, 레이저 광 입력들, 레이저들(110 및 120)로부터의 광의 일부분)을 위한 2개의 입력 포트(1711 및 1712)를 포함하는 유닛이다. 디바이스(1700)는 또한 광검출기들(1721 및 1722)을 포함하고, 이들 둘 다는, 비록 제1 입력 포트로부터의 광이 아래에 논의되는 바와 같이 디바이스의 광학 컴포넌트들을 통해 지향된 후이긴 하지만, 이 광을 수광한다. 입력 포트(1712)에 입력되는 광은 광검출기(1721 또는 1722)에 직접 입사하지 않고 (또는 전혀 입사하지 않고), 레이저(120)가 증기 셀(1536) 내의 원자들을 여기시키는데만 사용되는 도 15의 예에서와 같이 증기 셀(1715) 내의 원자들을 여기시키는데만 사용된다.

도 17a에 도시된 바와 같이, 디바이스(1700)에서, 입력 포트(1711)를 통해 입력된 광은 최우측 빔스플리터(1701)에 의해 스플릿된다. 그 다음, 광의 일부분은 상향으로 증기 셀(1715)을 통해, 감쇠기(1706)를 통해 통과하고, 미러(1702)에 의해 반사되고, 최우측 빔스플리터(1701)에 의해 광검출기(1721) 상으로 반사된다. 그 결과, 광검출기(1721)는 입력 포트(1711)에 입력되는 광이 증기 셀(1715) 내의 원자들의 여기에 대응하는 원하는 파장에 로킹되는 정도를 나타내는 신호를 산출한다. 입력 포트(1711)에 입력된 다른 광은 감쇠기(1707)를 통해 그리고 증기 셀(1715)을 통해 지향된 다음, 미러들(1703 및 1704)에 의해 반사된다. 그 후 이 광은 보다 낮은 파장의 광(예컨대, 포트(1711)에 입력될 것으로 예상되는 광)을 반사시키고 보다 높은 주파수의 광(예컨대, 포트(1712)에 입력될 것으로 예상되는 광)을 투과시키도록 구성되어 있는 이색성 미러(1705)에 입사된다. 이 광은 이로써 광검출기(1722)에 반사된다.

도 17b에 도시된 바와 같이, 입력 포트(1712)를 통해 입력된 광은 이색성 미러(1705)를 통해 투과되고, 미러들(1704 및 1703)에 의해 반사된 다음, 증기 셀(1715)을 통해 나아간다. 증기 셀의 다른 측 상에 도달하는 임의의 광은 감쇠기(1707)에 의해 감쇠되고 및/또는 디바이스의 벽 내로 지향된다. 이 광은 도 15와 관련하여 앞서 논의된 바와 같이 증기 셀(1715) 내의 원자들을 더 여기시킬 수 있다.

일부 실시예들에 따르면, 디바이스(400)는 광검출기들(1721 및 1722)에 입사하는 광의 양을 나타내는 신호들(예를 들어, 각각의 광검출기에 대한 전압 신호)을 산출하는 하나 이상의 출력 포트를 포함할 수 있다.

일부 실시예들에 따르면, 디바이스(1700)는 증기 셀(1715)을 가열하도록 구성된 하나 이상의 가열 요소를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 디바이스는 또한 고정된 온도에서 증기 셀의 온도를 자동으로 조정하는 회로를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 디바이스는 증기 셀(1715)의 온도를 나타내는 출력, 및 디바이스(1700) 외부의 디바이스 또는 시스템이 증기 셀(1715)의 온도를 조정할 수 있도록 하나 이상의 가열 요소를 구동하는 입력을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 증기 셀(1715)은 하나 이상의 광학적으로 투명한 윈도우를 포함할 수 있다. 윈도우들은 평행할 수 있거나, 또는 서로에 대해 비스듬하게 될 수 있다.

III. 양자 원격통신에서의 응용

2개 이상의 얽힘 소스 사이의 얽힘을 "스와핑(swapping)"함으로써 원격 광자들을 얽히게 하는 것이 가능하다. 얽힘 분포는 유니버설 양자 네트워킹에 중요한데, 그 이유는 얽힘 스와핑 프로세스가 광섬유들을 따라 일어나는 지수함수적 손실을 해결하기 위한 가장 레이트 효율적인 접근법이기 때문이다. 모든 디바이스들 - 양자 얽힘 소스들, 양자 버퍼들, 및 스와핑 프로세스를 가능하게 하고 지원하는 얽힘 스와핑 노드들 - 의 조합이 양자 중계기(quantum repeater)로서 알려져 있다. 이러한 컴포넌트들의 조합은 통신 및 감지에서의 많은 응용들에 대해 사용될 수 있어서, 또한 새로운 능력을 가능하게 하기 위한 기술 주도 기회를 제공할 수 있다. 개선된 양자 중계기 기술들은 높은 데이터 레이트의 장거리 양자 통신 네트워크들의 구현을 주도할 것이고, 광섬유 손실들에 의해 부여되는 현재의 제한들을 넘어서는 얽힘 및 양자 정보의 동기화된 분배를 가능하게 할 것이다.

관례적으로, 양자 중계기의 각각의 양자 디바이스는 그들의 동작 파장들에 관계없이 개별적으로 개발된다(예를 들어, 양자 얽힘 소스들, 양자 버퍼들, 및 얽힘 스와핑 노드들은 모두 상이한 파장들에서 동작할 수 있다). 그 후, 양자 주파수 변환기들을 이용하여, 광섬유들 및 양자 중계기의 양자 디바이스들과 인터페이스하도록 광자들의 파장을 변경한다. 예를 들어, 많은 얽힘 소스들은 비선형 결정들을 이용하여, 광섬유들과 인터페이스하기에 적합한 파장들에 있는 광자들의 쌍들을 생성한다. 일단 광자 쌍들이 광섬유들의 다른 단부에 도달하였다면, 광자들은 원자 기반 양자 버퍼를 사용하여 동기화되도록 예를 들어, NIR 파장으로 변환될 필요가 있다. 이론적으로는 가능하지만, 실제로 이와 같은 접근법에는 몇 가지 문제가 있다.

첫째, 주파수 변환기들은 특히 실온에서 손실성이다. 주파수 변환기들을 포함하는 시스템들의 전체 광자 변환 및 송신은 대략 10%보다 클 가능성이 없다. 둘째, 주파수 변환기들은 이들이 전형적으로 펌프 레이저의 잔류(residual) 효과들을 제거하기 위해 강력한 펌프 레이저들 및/또는 복잡한 필터링 시스템들을 요구하기 때문에 가장 비용 효율적인 솔루션이 아니다. 마지막으로, 주파수 변환기들이 파장-부정합에 의해 야기되는 문제들을 다룰 수 있기는 하지만, 비선형 결정 소스에 의해 생성된 광자들은 그들의 큰 선폭 때문에 원자, 이온, 또는 다른 광자적 모듈들과 인터페이스하는데에 여전히 호환불가능할 수 있다. 예를 들어, 비선형 결정들에 의해 생성된 광자들은 보통 10THz 정도의 선폭을 갖는데, 이것은 양자 버퍼들, 시뮬레이터들 및 원자 프로세서들과 같은 원자적 또는 이온적 디바이스들에 의해 사용되는 임의의 수용가능한 선폭보다 상당히 더 넓다. 양자 컴퓨터들 및 센서들은 전형적으로 수 내지 수십 MHz의 선폭들을 소유하는 광자들과 상호작용한다.

따라서, 본 발명자들은 주파수 변환기들 및 헤럴드 양자 메모리들에 대한 필요성을 제거하면서 각각의 노드에서 광자들을 버퍼링 및 동기화함으로써 향상된 얽힘 분배율을 제공하는 바이크로매틱 광자 소스(예를 들어, 본 명세서에 설명된 바이크로매틱 광자 소스들(100, 400, 및/또는 500))를 사용하는 양자 중계 방식을 개발하였다. 추가적으로, 이러한 방식은 광섬유 라인들로부터 원자적 버퍼들을 제거함으로써 텔레콤 경로들을 완전히 투명하게 유지한다.

도 18a 및 도 18b는 본 명세서에서 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 얽힘 소스 및 양자 메모리의 개략적인 블록도, 및 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍을 생성하고 쌍의 광자들을 저장하고 송신하는 예시적인 프로세스를 도시한다. 얽힘 소스(1802)는 바이크로매틱 광자 소스들(100, 400, 또는 500) 중 어느 하나 또는 이들의 임의의 적절한 변형들일 수 있고, 본 명세서에 설명된 바와 같은 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍을 생성하도록 구성될 수 있다. 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍은 제1 주파수를 갖는 제1 광자(1804) 및 제2 주파수를 갖는 제2 광자(1806)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 광자(1804)는 적외선 대역의 주파수를 가질 수 있고, 제2 광자(1806)는 NIR 대역의 주파수를 가질 수 있다. 제1 광자(1804)와 제2 광자(1806)의 얽힘은 링크 E로 표시된다.

도 18a는 얽힘 소스(1802)로부터의 제1 광자(1804) 및 제2 광자(1806)의 출력을 도시한다. 제2 광자(1806)는 양자 메모리(1808)를 향해 지향될 수 있다. 일부 실시예들에서, 양자 메모리(1808)는 따뜻한 증기 기반 양자 메모리(예를 들어, 따뜻한 루비듐 증기)일 수 있다. 그러나, 본 명세서에 설명된 아키텍처는 따뜻한 증기 기반 양자 메모리들로만 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다.

일부 실시예들에서, 제2 광자(1806)가 양자 메모리(1808)에 저장될 때, 양자 메모리(1808)의 상태는 도 18b의 예에서 링크 E에 의해 도시된 바와 같이 제1 광자(1804)와 새롭게 얽힐 수 있다. 그 후, 제1 광자(1804)는 양자 메모리(1808)와의 얽힘을 유지하면서 얽힘 소스(1802)로부터 멀어지게 송신될 수 있다.

이 기능성은 얽힘 스와핑을 통해 원격 양자 상태들을 링크하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 19a, 도 19b, 및 도 19c는 본 명세서에 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 양자 네트워크(1900)의 개략적 블록도 및 양자 네트워크(1900) 내의 저장된 광자들을 얽히게 하는 예시적인 프로세스를 도시한다. 도 19a의 예에 도시된 바와 같이, 얽힘 소스들(1802) 및 양자 메모리들의 쌍들은 로케이션들 사이의 물리적 거리를 갖는 2개의 상이한 로케이션에 위치된다.

일부 실시예들에서, 그 후 얽힘 소스들(1802)은 도 19b에 도시된 바와 같이, 광자들의 바이크로매틱 얽힌 쌍들을 생성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 얽힘 소스들(1802)은 GPS 동기화된 신호에 응답하여 광자들의 바이크로매틱 얽힌 쌍들을 생성할 수 있다. 광자들의 바이크로매틱 얽힌 쌍들을 생성한 후에, 제1 광자들(1804)은 광섬유들(1910)을 통해 송신될 수 있고, 제2 광자들(1806)은 양자 메모리들(1808)에 저장될 수 있다.

일부 실시예들에서, 제1 광자들(1804)은 중간 로케이션에서 2광자 간섭 측정 디바이스(1912)에 송신될 수 있다. 2광자 간섭 측정 디바이스(1912)는 송신된 광자들의 수광 시에 2광자 간섭 측정을 수행하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 2광자 간섭 측정 디바이스는 송신된 광자들의 수광 시에 벨 상태 측정을 수행하도록 구성된 벨 상태 측정 디바이스일 수 있다. 2광자 간섭 측정의 성공적인 수행 및 통지 시에, 도 19c의 예에서 링크 E에 의해 도시된 바와 같이, 양자 메모리들(1808) 사이에 새로운 얽힘이 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 양자 정보가 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들을 사용하여 어떤 거리에 걸쳐 송신될 수 있다.

추가적인 노드들이 양자 네트워크에 추가되어 양자 정보가 송신될 수 있는 거리를 증가시킬 수 있다. 도 20a, 도 20b, 도 20c, 및 도 20d는 본 명세서에 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 다수의 저장 노드를 갖는 양자 네트워크(2000)의 개략적인 블록도, 및 양자 네트워크(2000)의 단부 노드들에서 저장된 광자들을 얽히게 하는 예시적인 프로세스를 도시한다. 도 20a에 도시된 바와 같이, 각각의 얽힘 소스는 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍을 생성하여, 제1 광자(1804)를 광섬유를 통해 송신하고, 제2 광자(1806)(도시되지 않음)를 양자 메모리들(1808)에 저장할 수 있다. 일부 실시예들에서, 중간 노드에 배치된 2개의 얽힘 소스(1802)는 (예를 들어, 도 4의 예에 도시된 바와 같이) 다중화 기법들을 사용하여 2개 이상의 얽힌 바이크로매틱 광자 쌍을 산출하도록 구성된 단일 얽힘 소스로 대체될 수 있다.

일부 실시예들에서, 2광자 간섭 측정 디바이스들(1912)에서의 송신된 제1 광자들(1804)의 수광 시에, 2광자 간섭 측정들이 수행될 수 있다. 2광자 간섭 측정들의 결과들의 통지는 도 20b에서 링크들 E에 의해 표시된 바와 같이 양자 메모리들(1808) 사이의 새로운 얽힘들을 야기할 수 있다.

그 후에, 일부 실시예들에서, 중간 제2 광자들(1806)이 도 20c의 예에 도시된 바와 같이 또 다른 2광자 간섭 디바이스(2014)에 송신될 수 있다. 송신된 제2 광자들(1806)은 일부 실시예들에서 자유 공간을 통해 송신될 수 있다. 그 후, 2광자 간섭 디바이스(2014)는 도 20d에 도시된 바와 같이, 네트워크(2000)의 단부 노드들에서 양자 메모리들 사이의 얽힘을 야기하기 위해 2광자 간섭 측정을 수행할 수 있다.

도 21은 본 명세서에서 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 양자 네트워크(2100)의 구현의 예시적인 예를 도시한다. 도 21의 예에서, 청색 컴포넌트들은 광섬유를 통한 통신을 표시하고, 적색 컴포넌트들은 자유 공간 링크들을 통한 통신을 표시한다.

일부 실시예들에서, 양자 네트워크(2100)는 상이한 로케이션들에 있는 노드들을 포함하며, 각각의 노드는 얽힘 소스 및 양자 메모리를 갖는다. 얽힘 소스들은 본 명세서에 설명된 바와 같이 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들을 생성하도록 구성될 수 있다. 제1 광자들은 (예를 들어, 도 20b의 예에 도시된 바와 같이) 양자 메모리들의 일부분의 상태들을 얽히게 하기 위해 얽힘 소스들로부터 벨 상태 측정 디바이스들로 송신될 수 있다. 그 후, 네트워크(2100)의 단부 노드들에서의 양자 메모리들의 얽힘은 자유 공간을 통해 제2 광자들을 (예를 들어, 도 21의 예에 도시된 바와 같이 위성과 같은 모바일 노드에 있는) 또 다른 벨 상태 측정 디바이스에 송신함으로써 수행될 수 있다.

도 22는 본 명세서에 설명된 기술의 일부 실시예들에 따른, 양자 네트워킹을 수행하기 위한 프로세스(2200)를 기술하는 흐름도이다. 프로세스(220)는 일부 실시예들에서 액트(2202)에서 시작할 수 있다. 액트(2202)에서, 복수의 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍이 생성될 수 있다. 예를 들어, 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들이 본 명세서에 설명되는 바이크로매틱 광자 소스들(100, 400, 및/또는 500)을 포함하는 임의의 적절한 바이크로매틱 광자 소스를 사용하여 생성될 수 있다.

일부 실시예들에서, 복수의 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍을 생성하는 단계는 제1 로케이션에 위치된 제1 디바이스를 사용하여 제1 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍을 생성하는 단계 및 제1 로케이션과 상이한 제2 로케이션에 배치된 제2 디바이스를 사용하여 제2 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍을 생성하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 제1 바이크로매틱 광자 소스는 로케이션 A에서 제1 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍을 생성할 수 있고, 제2 바이크로매틱 광자 소스는 로케이션 B에서 제2 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍을 생성할 수 있다. 로케이션 A는 로케이션 B로부터 어떤 거리(예를 들어, 킬로미터)만큼 떨어져 위치할 수 있다. 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들의 생성은 로케이션들 C, D, E 등에서 반복될 수 있다.

액트(2202) 후에, 프로세스(2200)는 일부 실시예들에서 액트(2204)로 진행할 수 있다. 액트(2204)에서, 각각의 바이크로매틱 광자 쌍 중 제1 광자가 그 각자의 로케이션들에 저장될 수 있다. 예를 들어, 제1 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍 중 제1 광자는 로케이션 A에서 양자 메모리에 저장될 수 있고, 제2 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍 중 제1 광자는 로케이션 B에서 양자 메모리에 저장될 수 있다. 적합한 양자 메모리 디바이스들의 추가적인 양태들은, 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함되는, 2020년 10월 1일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Quantum Network Devices, Systems, and Methods"인 미국 특허 출원 공개 번호 제2021/0105135호에 설명되어 있다.

액트(2204) 후에, 프로세스(2200)는 일부 실시예들에서 액트(2206)로 진행할 수 있다. 액트(2206)에서, 각각의 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍 중 제2 광자가 제1 중간 로케이션들에 송신될 수 있다. 제1 중간 로케이션들은 복수의 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍을 생성하기 위해 사용되는 바이크로매틱 광자 소스들의 로케이션들(예를 들어, 로케이션들 A, B, C 등)로부터 공간적으로 분리된다. 예를 들어 그리고 본 명세서의 도 21에 도시된 바와 같이, 각각의 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍 중 제2 광자들은 광섬유를 통해 제1 중간 로케이션들에 송신될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 광자는 양자 노드가 GPS-동기화된 디바이스로부터 타이밍 신호를 수신한 후에 송신될 수 있다.

액트(2206) 후에, 프로세스(2200)는 일부 실시예들에서 액트(2208)로 진행할 수 있다. 액트(2208)에서, 제1 중간 로케이션들 각각에서 2광자 간섭 측정들이 수행될 수 있다. 2광자 간섭 측정들은 2광자 간섭 측정 디바이스들을 사용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 2광자 간섭 측정들은 벨 상태 측정 디바이스들에 의해 수행되는 벨 상태 측정들일 수 있다.

액트(2208) 후에, 프로세스(2200)는 일부 실시예들에서 액트(2210)로 진행할 수 있다. 액트(2210)에서, 저장된 제1 광자들의 쌍들의 상태들은 새롭게 얽힌 광자 쌍을 형성하도록 얽힐 수 있다. 저장된 제1 광자들의 쌍들은 제1 중간 로케이션들에 송신된 제2 광자들에 대한 2광자 간섭 측정들의 성공적인 수행에 의해 얽힐 수 있다. 이러한 방식으로, 얽힘들은 제1 및 제2 광자들의 쌍들 사이에서 양자 메모리들에 저장된 제1 광자들의 쌍들 사이에 있는 것으로 "스와핑"될 수 있다.

일부 실시예들에서, 프로세스(2200)는 제1 광자들의 얽힌 쌍들의 저장된 제1 광자들 중 하나를 제2 중간 로케이션 및 제2 중간 로케이션에서의 제2의 2광자 간섭 측정 디바이스에 송신하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 제2 중간 로케이션들 각각에서, 수광된 제1 광자들 및 제2의 2광자 간섭 측정 디바이스들을 사용하여 2광자 간섭 측정이 수행될 수 있다. 제2의 2광자 간섭 측정들을 성공적으로 수행할 시에, 저장된 제1 광자들의 상이한 쌍들 사이에 새롭게 얽힌 상태가 생성될 수 있다. 이러한 방식으로, 양자 얽힘들은 제1 광자들의 제1 쌍들(예를 들어, 가장 가까운 이웃 로케이션들에 배치된 제1 광자들의 쌍들)로부터 제1 광자들의 제2 쌍들(예를 들어, 그 다음으로 가장 가까운 이웃 로케이션들에 배치된 제1 광자들의 쌍들)로 스와핑될 수 있다.

기술들이 회로 및/또는 컴퓨터 실행가능 명령어들로 구현되는 실시예들이 설명되었다. 일부 실시예들은 적어도 하나의 예가 제공된 방법의 형태일 수 있다는 것을 알아야 한다. 방법의 일부로서 수행되는 액트들은 임의의 적절한 방식으로 순서화될 수 있다. 그에 따라서, 예시적인 실시예들에서 순차적인 액트들로서 도시되더라도, 일부 액트들을 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있는, 예시된 것과는 상이한 순서로 액트들이 수행되는 실시예들이 구성될 수 있다.

위에서 설명된 실시예들의 다양한 양태들이 단독으로, 조합하여, 또는 앞에서 설명된 실시예들에서 구체적으로 논의되지 않은 다양한 배열들로 사용될 수 있고, 따라서 그것의 응용에 있어서 앞서의 설명에서 제시되거나 또는 도면들에 예시된 컴포넌트들의 상세사항 및 배열로만 제한되지는 않는다. 예를 들어, 일 실시예에서 설명된 양태들은 다른 실시예들에서 설명된 양태들과 임의의 방식으로 조합될 수 있다.

또한, 설명된 바와 같이, 일부 양태들은 하나 이상의 방법으로서 구체화될 수 있다. 방법의 일부로서 수행되는 액트들은 임의의 적절한 방식으로 순서화될 수 있다. 그에 따라서, 예시적인 실시예들에서 순차적인 액트들로서 도시되더라도, 일부 액트들을 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있는, 예시된 것과는 상이한 순서로 액트들이 수행되는 실시예들이 구성될 수 있다.

본 명세서에서 정의되고 사용되는 바와 같은 모든 정의들은 사전적 정의들, 참조로 포함된 문서들에서의 정의들, 및/또는 정의된 용어들의 통상의 의미들을 통제하는 것으로 이해해야 한다.

본 명세서에서 및 청구항들에서 이 문서에 사용되는 바와 같은 부정 관사들("a" 및 "an")은, 명확히 달리 지시되지 않는 한, "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해해야 한다.

본 명세서에서 및 청구항들에서 이 문서에 사용되는 바와 같은 문구 "및/또는"은 그렇게 결합된 요소들, 즉 일부 경우들에서는 결합하여 존재하고 다른 경우들에서는 분리하여 존재하는 요소들의 "어느 하나 또는 둘 다"를 의미하는 것으로 이해해야 한다. "및/또는"으로 열거된 다수의 요소는 동일한 방식으로, 즉, 그렇게 결합된 요소들 중 "하나 이상"으로 해석해야 한다. "및/또는" 문구에 의해 구체적으로 식별된 요소들 이외의 다른 요소들이, 구체적으로 식별된 이들 요소들과 관련되든 관련되지 않든 간에, 선택적으로 존재할 수 있다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A 및/또는 B"에 대한 언급은, "포함하는"과 같은 개방형 언어와 함께 사용될 때, 일 실시예에서, A만을 지칭하거나(선택적으로 B 이외의 요소들을 포함함); 또 다른 실시예에서, B만을 지칭하거나(선택적으로 A 이외의 요소들을 포함함); 또 다른 실시예에서, A와 B 둘 다를 지칭하거나(선택적으로 다른 요소들을 포함함); 등등일 수 있다.

본 명세서에서 및 청구항들에서 이 문서에서 사용되는 바와 같이, 하나 이상의 요소의 리스트를 참조하여, "적어도 하나"라고 하는 문구는 요소들의 리스트 내의 요소들 중 임의의 하나 이상으로부터 선택된 적어도 하나의 요소를 의미하지만, 요소들의 리스트 내에 구체적으로 열거된 각각의 모든 요소 중 적어도 하나를 반드시 포함하는 것은 아니며, 요소들의 리스트 내의 요소들의 임의의 조합들을 배제하지 않는 것으로 이해해야 한다. 이 정의는 또한, "적어도 하나"라는 문구가 언급하는 요소들의 리스트 내에서 구체적으로 식별된 요소들 이외의 요소들이, 구체적으로 식별된 요소들과 관련되든 관련되지 않든 간에, 선택적으로 존재할 수 있다는 것을 허용한다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A 및 B 중 적어도 하나"(또는, 동등하게는, "A 또는 B 중 적어도 하나", 또는, 동등하게는 "A 및/또는 B 중 적어도 하나")는, 일 실시예에서, B가 존재하지 않는(및 선택적으로 B 이외의 요소들을 포함하는), 적어도 하나의, 하나보다 많은 것을 선택적으로 포함하는, A를 지칭하고; 또 다른 실시예에서, A가 존재하지 않는(및 선택적으로 A 이외의 요소들을 포함하는), 적어도 하나의, 하나보다 많은 것을 선택적으로 포함하는, B를 지칭하고; 또 다른 실시예에서, 적어도 하나의, 하나보다 많은 것을 선택적으로 포함하는, A 및 적어도 하나의, 하나보다 많은 것을 선택적으로 포함하는, B (및 선택적으로 다른 요소들을 포함함)을 지칭할 수 있고; 등등일 수 있다.

청구항 요소를 수정하기 위해 청구항들에서 "제1", "제2", "제3" 등과 같은 서수 용어들을 사용하는 것은 그 자체로 하나의 청구항 요소의 또 다른 청구항 요소에 대한 임의의 우선순위, 선행성, 또는 순서, 또는 방법의 액트들이 수행되는 시간적 순서를 암시하지 않으며, 청구항 요소들을 구별하기 위해 특정 명칭을 갖는 하나의 청구항 요소를 동일한 명칭을 갖는 (그러나 서수 용어를 사용하는) 또 다른 요소와 구별하기 위한 라벨들로서 사용될 뿐이다.

위의 명세서뿐만 아니라 청구항들에서, "포함하는(comprising)", "포함하는(including)", "운반하는(carrying)", "갖는(having)", "함유하는(containing)", "수반하는(involving)", "유지하는(holding)", "~로 구성된(composed of~)", 및 그와 유사한 것과 같은 모든 연결 문구들은 개방 종결형인 것으로, 즉, 포함하지만 이것에만 제한되지는 않는 것을 의미하는 것으로 이해해야 한다. 연결 구문들 "~로 이루어진" 및 "본질적으로 ~로 이루어진"만이, 제각기, 폐쇄형 또는 반폐쇄형 연결 구문들일 것이다. "예시적인"이라는 단어는 본 명세서에서 예, 사례, 또는 예시의 역할을 하는 것을 의미하기 위해 사용된다. 따라서, 본 명세서에서 예시적인 것으로 설명된 임의의 실시예, 구현, 프로세스, 특징 등은 예시적인 예인 것으로 이해해야 하며, 달리 지시되지 않는 한, 바람직하거나 유리한 예인 것으로 이해해서는 안 된다.

용어들 "대략" 및 "약"은 일부 실시예들에서 타깃 값의 ±20% 이내, 일부 실시예들에서 타깃 값의 ±10% 이내, 일부 실시예들에서 타깃 값의 ±5% 이내, 및/또는 일부 실시예들에서 타깃 값의 ±2% 이내를 의미하기 위해 사용될 수 있다. 용어들 "대략" 및 "약"은 타깃 값을 포함할 수 있다.

이와 같이 적어도 하나의 실시예의 여러 양태들을 설명하였지만, 다양한 변경들, 수정들, 및 개선들이 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 쉽게 떠오를 것이라는 점을 알 것이다. 이러한 변경들, 수정들, 및 개선들은 본 개시내용의 일부인 것으로 의도되며, 본 명세서에 설명된 원리들의 사상 및 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 그에 따라서, 앞서의 설명 및 도면들은 단지 예를 든 것일 뿐이다.

Claims

광자들의 얽힌 쌍을 생성하기 위한 디바이스로서:
제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔의 빔 경로들 내에 배치된 제1 원자 증기 셀 - 상기 제1 원자 증기 셀은 상기 제1 레이저 빔 및 상기 제2 레이저 빔의 광자들에 의해 야기된 여기들에 응답하여 상기 광자들의 얽힌 쌍을 생성하도록 구성된 원자 종들의 원자들을 포함함 - 을 포함하고,
상기 원자 종들은 제1 원자 천이 및 제2 원자 천이를 포함하고,
상기 제1 레이저 빔은 제1 파장을 갖고, 상기 제1 파장은 상기 제1 원자 천이와 공진하도록 튜닝되고,
상기 제2 레이저 빔은 제2 파장을 갖고, 상기 제2 파장은 상기 제1 파장과 상이하고 상기 제2 원자 천이와 공진하도록 튜닝되고,
상기 제1 및 제2 파장들은 상기 제1 원자 증기 셀에서의 4파 혼합 프로세스를 위한 조건들을 충족하는 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 광자들의 얽힌 쌍의 광자들은 10MHz 내지 500MHz 범위의 광자 선폭을 갖는 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 디바이스는 내지 범위의 스펙트럼 밝기를 갖는 상기 광자들의 얽힌 쌍을 생성하도록 구성된 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 광자들의 얽힌 쌍은 제1 광자 및 제2 광자를 포함하고, 상기 디바이스는 상기 제1 광자 및/또는 상기 제2 광자의 빔 경로에 배치된 패브리-페롯 에탈론을 추가로 포함하는 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 광자들의 얽힌 쌍은 제1 광자 및 제2 광자를 포함하고, 상기 디바이스는 상기 제1 광자 및/또는 상기 제2 광자의 빔 경로에 배치된 이색성 미러를 추가로 포함하는 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 제1 레이저 빔을 생성하도록 구성된 제1 레이저; 및
상기 제2 레이저 빔을 생성하도록 구성된 제2 레이저를 추가로 포함하는 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 제1 레이저 빔 및 상기 제2 레이저 빔은 상기 제1 원자 증기 셀 내의 로케이션에서 교차하는 디바이스.
제7항에 있어서,
상기 제1 레이저 빔은 상기 제1 원자 증기 셀의 면에 수직인 제1 방향을 따라 상기 제1 원자 증기 셀에 진입하도록 배열되고,
상기 제2 레이저 빔은 제2 방향을 따라 상기 제1 원자 증기 셀에 진입하도록 배열되고, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향과 상기 제2 방향 사이에서 0°보다 크고 5° 이하의 각도에 의해 정의되는 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 레이저들과 상기 제1 원자 증기 셀 사이에 위치된 적어도 하나의 AOD(acousto-optic deflector)를 추가로 포함하고, 상기 적어도 하나의 AOD는 상기 제1 및 제2 레이저 빔들을 편향시켜 적어도 하나의 축을 따른 공간적 패턴을 생성하도록 구성된 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 광자들의 얽힌 쌍은 제3 파장을 갖는 제1 광자 및 제4 파장을 갖는 제2 광자를 포함하는 디바이스.
제10항에 있어서, 상기 제3 파장은 750nm 내지 850nm의 범위에 있고, 상기 제4 파장은 1300nm 내지 1600nm의 범위에 있는 디바이스.
제11항에 있어서, 상기 제3 파장은 대략 795nm이고, 상기 제4 파장은 대략 1324nm 또는 대략 1476nm인 디바이스.
제11항에 있어서, 상기 제3 파장은 대략 780nm이고, 상기 제4 파장은 대략 1367nm 또는 대략 1529nm인 디바이스.
제10항에 있어서, 상기 제3 파장 및 상기 제4 파장은 750nm 내지 850nm의 범위에 있는 디바이스.
제14항에 있어서, 상기 제3 파장은 대략 795nm이고, 상기 제4 파장은 대략 762nm인 디바이스.
제14항에 있어서, 상기 제3 파장은 대략 780nm이고, 상기 제4 파장은 대략 776nm인 디바이스.
제10항에 있어서, 상기 제3 파장은 750nm 내지 850nm의 범위에 있고, 상기 제4 파장은 450nm 내지 550nm의 범위에 있는 디바이스.
제17항에 있어서, 상기 제3 파장은 대략 795nm이고, 상기 제4 파장은 대략 475nm인 디바이스.
제17항에 있어서, 상기 제3 파장은 대략 780nm이고, 상기 제4 파장은 대략 480nm인 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 원자 종들은 루비듐을 포함하는 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 제1 레이저의 출력을 상기 제1 파장에 로킹하고 상기 제2 레이저의 출력을 상기 제2 파장에 로킹하기 위한 로킹 디바이스를 추가로 포함하는 디바이스.
제21항에 있어서, 상기 로킹 디바이스는:
상기 제1 레이저의 출력에 결합된 제1 레이저 입력 포트;
상기 제2 레이저의 출력에 결합된 제2 레이저 입력 포트;
상기 제1 레이저 입력 포트에 입력된 상기 제1 레이저 빔의 일부분을 수광하고 상기 제2 레이저 입력 포트에 입력된 제2 레이저 빔의 일부분을 수광하도록 배열된 제2 원자 증기 셀;
상기 제1 레이저 빔의 일부분이 상기 제2 원자 증기 셀을 통과한 후에 상기 제1 레이저 빔의 일부분을 수광하도록 배열된 제1 광검출기; 및
상기 제2 레이저 빔의 일부분이 상기 제2 원자 증기 셀을 통과한 후에 상기 제2 레이저 빔의 일부분을 수광하도록 배열된 제2 광검출기를 포함하는 디바이스.
제22항에 있어서, 상기 로킹 디바이스는:
상기 제1 레이저 빔의 일부분이 상기 제2 원자 증기 셀을 통과한 후에 상기 제1 레이저 빔의 일부분을 상기 제1 광검출기 상으로 반사하고,
상기 제2 레이저 빔의 일부분을 투과하도록 구성된 이색성 미러를 추가로 포함하는 디바이스.
제22항에 있어서, 상기 로킹 디바이스는 하나 이상의 빔스플리터 컴포넌트를 추가로 포함하고, 상기 하나 이상의 빔스플리터 컴포넌트는:
상기 제1 레이저 빔의 일부분을 제1 빔 및 제2 빔이 되도록 스플릿하고,
상기 제1 빔을 상기 제2 원자 증기 셀의 제1 영역 내로 지향시키고, 및
상기 제2 빔을 상기 제2 원자 증기 셀의 제2 영역 내로 지향시키도록 구성된 디바이스.
제24항에 있어서, 상기 로킹 디바이스는 상기 제2 빔이 상기 제2 원자 증기 셀의 제2 영역을 통과한 후에 상기 제2 광검출기 상으로 상기 제2 빔을 지향시키도록 구성된 하나 이상의 미러를 추가로 포함하는 디바이스.
제24항에 있어서, 상기 하나 이상의 빔스플리터 컴포넌트는 상기 제1 빔이 상기 제2 원자 증기 셀의 제1 영역을 통과한 후에 상기 제1 광검출기 상으로 상기 제1 빔을 지향시키도록 추가로 구성된 디바이스.
제22항에 있어서, 상기 제2 원자 증기 셀은:
상기 제2 원자 증기 셀의 제1 영역에서 및 상기 제2 원자 증기 셀의 제2 영역에서 상기 제1 레이저 빔의 일부분을 수광하고; 및
상기 제2 원자 증기 셀의 제1 영역에서는 상기 제2 레이저 빔의 일부분을 수광하지만 상기 제2 원자 증기 셀의 제2 영역에서는 수광하지 않도록 배열된 디바이스.
제22항에 있어서, 상기 제2 원자 증기 셀은 루비듐 원자들을 포함하는 디바이스.
제22항에 있어서, 상기 제2 원자 증기 셀을 가열하도록 배열된 적어도 하나의 가열 요소를 추가로 포함하는 디바이스.
광자들의 얽힌 쌍을 생성하기 위한 디바이스로서:
제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔의 빔 경로들 내에 배치된 제1 원자 증기 셀 - 상기 제1 원자 증기 셀은 상기 제1 레이저 빔 및 상기 제2 레이저 빔의 광자들에 의해 야기된 여기들에 응답하여 상기 광자들의 얽힌 쌍을 생성하도록 구성된 원자 종들의 원자들을 포함함 - 을 포함하고,
상기 제1 레이저 빔은 제1 파장을 갖고,
상기 제2 레이저 빔은 제2 파장을 갖고, 상기 제2 파장은 상기 제1 파장과 상이하고,
상기 광자들의 얽힌 쌍은 제3 파장을 갖는 제1 광자 및 제4 파장을 갖는 제2 광자를 포함하고,
상기 제3 파장은 대략 795nm이고,
상기 제4 파장은 대략 1324nm 또는 대략 1476nm이고,
상기 제1 파장 및 상기 제2 파장은 상기 제1 원자 증기 셀 내에 EIT(electromagnetically-induced transparency)를 생성하기 위한 조건들을 충족하고, 상기 EIT는 상기 제3 파장에서 상기 제1 원자 증기 셀 내에 투명 매질을 생성하는 디바이스.
제30항에 있어서, 상기 원자 종들은 제1 원자 천이 및 제2 원자 천이를 포함하고,
상기 제1 파장은 상기 제1 원자 천이와 공진하도록 튜닝되고,
상기 제2 파장은 상기 제2 원자 천이와 공진하도록 튜닝되는 디바이스.
제30항에 있어서, 상기 광자들의 얽힌 쌍의 광자들은 10MHz 내지 500MHz 범위의 광자 선폭을 갖는 디바이스.
제30항에 있어서, 상기 디바이스는 내지 범위의 스펙트럼 밝기를 갖는 상기 광자들의 얽힌 쌍을 생성하도록 구성된 디바이스.
제30항에 있어서, 상기 광자들의 얽힌 쌍은 제1 광자 및 제2 광자를 포함하고, 상기 디바이스는 상기 제1 광자 및/또는 상기 제2 광자의 빔 경로에 배치된 패브리-페롯 에탈론을 추가로 포함하는 디바이스.
제30항에 있어서, 상기 광자들의 얽힌 쌍은 제1 광자 및 제2 광자를 포함하고, 상기 디바이스는 상기 제1 광자 및/또는 상기 제2 광자의 빔 경로에 배치된 이색성 미러를 추가로 포함하는 디바이스.
제30항에 있어서,
상기 제1 레이저 빔을 생성하도록 구성된 제1 레이저; 및
상기 제2 레이저 빔을 생성하도록 구성된 제2 레이저를 추가로 포함하는 디바이스.
제30항에 있어서,
상기 제1 레이저 빔 및 상기 제2 레이저 빔은 상기 제1 원자 증기 셀 내의 로케이션에서 교차하는 디바이스.
제37항에 있어서,
상기 제1 레이저 빔은 상기 제1 원자 증기 셀의 면에 수직인 제1 방향을 따라 상기 제1 원자 증기 셀에 진입하도록 배열되고,
상기 제2 레이저 빔은 제2 방향을 따라 상기 제1 원자 증기 셀에 진입하도록 배열되고, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향과 상기 제2 방향 사이에서 0°보다 크고 5° 이하의 각도에 의해 정의되는 디바이스.
제30항에 있어서, 상기 제1 및 제2 레이저들과 상기 제1 원자 증기 셀 사이에 위치된 적어도 하나의 AOD(acousto-optic deflector)를 추가로 포함하고, 상기 적어도 하나의 AOD는 상기 제1 및 제2 레이저 빔들을 편향시켜 적어도 하나의 축을 따른 공간적 패턴을 생성하도록 구성된 디바이스.
제30항에 있어서, 상기 원자 종들은 루비듐을 포함하는 디바이스.
제30항에 있어서, 상기 제1 레이저의 출력을 상기 제1 파장에 그리고 상기 제2 레이저의 출력을 상기 제2 파장에 로킹하기 위한 로킹 디바이스를 추가로 포함하는 디바이스.
제41항에 있어서, 상기 로킹 디바이스는:
상기 제1 레이저의 출력에 결합된 제1 레이저 입력 포트;
상기 제2 레이저의 출력에 결합된 제2 레이저 입력 포트;
상기 제1 레이저 입력 포트에 입력된 상기 제1 레이저 빔의 일부분을 수광하고 상기 제2 레이저 입력 포트에 입력된 상기 제2 레이저 빔의 일부분을 수광하도록 배열된 제2 원자 증기 셀;
상기 제1 레이저 빔의 일부분이 상기 제2 원자 증기 셀을 통과한 후에 상기 제1 레이저 빔의 일부분을 수광하도록 배열된 제1 광검출기; 및
상기 제2 레이저 빔의 일부분이 상기 제2 원자 증기 셀을 통과한 후에 상기 제2 레이저 빔의 일부분을 수광하도록 배열된 제2 광검출기를 포함하는 디바이스.
제42항에 있어서, 상기 로킹 디바이스는:
상기 제1 레이저 빔의 일부분이 상기 제2 원자 증기 셀을 통과한 후에 상기 제1 레이저 빔의 일부분을 상기 제1 광검출기 상으로 반사하고,
상기 제2 레이저 빔의 일부분을 투과하도록 구성된 이색성 미러를 추가로 포함하는 디바이스.
제42항에 있어서, 상기 로킹 디바이스는 하나 이상의 빔스플리터 컴포넌트를 추가로 포함하고, 상기 하나 이상의 빔스플리터 컴포넌트는:
상기 제1 레이저 빔의 일부분을 제1 빔 및 제2 빔이 되도록 스플릿하고,
상기 제1 빔을 상기 제2 원자 증기 셀의 제1 영역 내로 지향시키고, 및
상기 제2 빔을 상기 제2 원자 증기 셀의 제2 영역 내로 지향시키도록 구성된 디바이스.
제44항에 있어서, 상기 로킹 디바이스는 상기 제2 빔이 상기 제2 원자 증기 셀의 제2 영역을 통과한 후에 상기 제2 광검출기 상으로 상기 제2 빔을 지향시키도록 구성된 하나 이상의 미러를 추가로 포함하는 디바이스.
제44항에 있어서, 상기 하나 이상의 빔스플리터 컴포넌트는 상기 제1 빔이 상기 제2 원자 증기 셀의 제1 영역을 통과한 후에 상기 제1 광검출기 상으로 상기 제1 빔을 지향시키도록 추가로 구성된 디바이스.
제42항에 있어서, 상기 제2 원자 증기 셀은:
상기 제2 원자 증기 셀의 제1 영역에서 및 상기 제2 원자 증기 셀의 제2 영역에서 상기 제1 레이저 빔의 일부분을 수광하고; 및
상기 제2 원자 증기 셀의 제1 영역에서는 상기 제2 레이저 빔의 일부분을 수광하지만 상기 제2 원자 증기 셀의 제2 영역에서는 수광하지 않도록 배열된 디바이스.
제42항에 있어서, 상기 제2 원자 증기 셀은 루비듐 원자들을 포함하는 디바이스.
제42항에 있어서, 상기 제2 원자 증기 셀을 가열하도록 배열된 적어도 하나의 가열 요소를 추가로 포함하는 디바이스.
광자들의 얽힌 쌍을 생성하는 방법으로서:
제1 레이저를 이용하여 제1 레이저 빔을 생성하는 단계 - 상기 제1 레이저 빔은 제1 파장을 가짐 -;
제2 레이저를 이용하여 제2 레이저 빔을 생성하는 단계 - 상기 제2 레이저 빔은 상기 제1 파장과 상이한 제2 파장을 가짐 -;
상기 제1 레이저 빔 및 상기 제2 레이저 빔을 원자 종들(atomic species)의 원자 증기를 포함하는 제1 원자 증기 셀을 통해 통과시킴으로써 상기 제1 원자 증기 셀에서 4파 혼합 프로세스(four-wave mixing process)를 야기하는 단계; 및
상기 4파 혼합 프로세스의 결과로서, 상기 광자들의 얽힌 쌍을 생성하는 단계를 포함하고,
상기 광자들의 얽힌 쌍을 생성하는 단계는 제3 파장을 갖는 제1 광자 및 제4 파장을 갖는 제2 광자를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 제1 파장은 대략 795nm이고 상기 제2 파장은 대략 1324nm 또는 대략 1449nm인 방법.
제50항에 있어서,
상기 원자 종들은 제1 원자 천이 및 제2 원자 천이를 포함하고,
상기 제1 파장은 상기 제1 원자 천이와 공진하도록 튜닝되고,
상기 제2 파장은 상기 제2 원자 천이와 공진하도록 튜닝되는 방법.
제51항에 있어서,
상기 제1 레이저 빔을 생성하는 단계는 상기 제1 파장을 갖는 상기 제1 레이저 빔을 생성하는 단계를 포함하고, 상기 제1 파장은 대략 780nm이고,
상기 제2 레이저 빔을 생성하는 단계는 상기 제2 파장을 갖는 상기 제2 레이저 빔을 생성하는 단계를 포함하고, 상기 제2 파장은 대략 1367nm 또는 대략 1529nm인 방법.
제50항에 있어서, 상기 광자들의 얽힌 쌍을 생성하는 단계는 10MHz 내지 100GHz 범위의 광자 선폭을 갖는 광자들의 얽힌 쌍을 생성하는 단계를 포함하는 방법.
제50항에 있어서, 상기 광자들의 얽힌 쌍을 생성하는 단계는 내지 범위의 스펙트럼 밝기를 갖는 광자들의 얽힌 쌍들을 생성하는 단계를 포함하는 방법.
제51항에 있어서,
상기 원자 종들의 제1 원자 천이는 상기 제1 원자 증기 셀 내의 원자를 기저 상태로부터 제1 여기 상태로 여기시키는 것을 포함하고,
상기 원자 종들의 제2 원자 천이는 상기 제1 원자 증기 셀 내의 원자를 상기 제1 여기 상태로부터 제2 여기 상태로 여기시키는 것을 포함하는 방법.
제50항에 있어서, 상기 원자 종들은 루비듐을 포함하는 방법.
제50항에 있어서, 상기 제1 레이저 빔 및 상기 제2 레이저 빔을 상기 제1 원자 증기 셀을 통해 통과시키는 단계는:
상기 제1 레이저 빔을, 상기 제1 원자 증기 셀의 면에 수직인 제1 방향을 따라 상기 제1 원자 증기 셀을 통해 통과시키는 단계; 및
상기 제2 레이저 빔을, 제2 방향을 따라 상기 제1 원자 증기 셀을 통해 통과시키는 단계 - 상기 제2 방향은 상기 제1 방향과 상기 제2 방향 사이에서 0°보다 크고 5° 이하의 각도에 의해 정의됨 - 를 포함하는 방법.
제50항에 있어서, 적어도 하나의 패브리-페롯 에탈론을 사용하여 상기 광자들의 얽힌 쌍의 광자들을 필터링하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제50항에 있어서,
상기 제1 레이저 빔으로부터의 광의 일부분을 제2 원자 증기 셀을 통해 제1 광검출기 상으로 그리고 제2 광검출기 상으로 지향시키고;
상기 제2 레이저 빔으로부터의 광의 일부분을 상기 제2 원자 증기 셀을 통해 지향시키고;
특성 천이 주파수(characteristic transition frequency)에서 상기 제2 원자 증기 셀의 원자들에 의한 상기 제1 레이저 빔으로부터의 광의 일부분의 감쇠량을 나타내는 상기 제1 광검출기에 의해 산출된 신호들에 기초하여 상기 제1 파장에서 상기 제1 레이저 빔을 로킹하고; 및
상기 특성 천이 주파수에서 상기 제2 원자 증기 셀의 원자들에 의한 상기 제1 레이저 빔으로부터의 광의 일부분의 감쇠량을 나타내는 상기 제2 광검출기에 의해 산출된 신호들에 기초하여 상기 제2 파장에서 상기 제2 레이저 빔을 로킹함으로써 상기 제1 레이저 빔을 상기 제1 파장에 로킹하고 상기 제2 레이저 빔을 상기 제2 파장에 로킹하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제59항에 있어서, 상기 제1 파장에서 상기 제1 레이저 빔을 로킹하는 단계는 상기 제1 레이저에 입력된 전압을 변조하고 상기 제1 광검출기에 의해 산출된 신호들에 기초하여 생성된 제1 오류 신호를 측정하는 단계를 포함하는 방법.
제60항에 있어서, 상기 제2 파장에서 상기 제2 레이저 빔을 로킹하는 단계는 상기 제2 광검출기에 의해 산출된 신호들의 더 큰 감쇠를 야기하는 상기 제2 레이저에 입력된 전압을 식별하는 단계를 포함하는 방법.
제59항에 있어서, 상기 제1 레이저 빔으로부터의 광의 일부분은 편광되지 않고, 상기 제2 레이저 빔으로부터의 광의 일부분은 편광되지 않는 방법.
제59항에 있어서, 상기 제2 레이저 빔으로부터의 광의 일부분은 상기 제1 광검출기 또는 상기 제2 광검출기 중 어느 하나에 입사하지 않는 방법.
제59항에 있어서, 상기 제1 레이저 빔으로부터의 광의 일부분은 상기 제2 원자 증기 셀의 제1 영역 및 제2 영역을 통해 지향되고, 상기 제2 레이저 빔으로부터의 광의 일부분은 상기 제2 원자 증기 셀의 제2 영역이 아니라 제1 영역을 통해 지향되는 방법.
제64항에 있어서, 상기 제2 원자 증기 셀은 루비듐 원자들을 포함하는 방법.
얽힌 광자 쌍을 생성하기 위한 디바이스로서:
제1 파장을 갖는 제1 레이저 빔을 출력하도록 구성된 제1 레이저;
제2 파장을 갖는 제2 레이저 빔을 출력하도록 구성된 제2 레이저;
상기 제1 레이저 빔 및 상기 제2 레이저 빔을 수광하도록 구성된 간섭계; 및
상기 간섭계의 빔 경로 내에 배치되고, 상기 얽힌 광자 쌍을 생성하도록 구성된 원자 증기 셀을 포함하는 디바이스.
제66항에 있어서, 상기 얽힌 광자 쌍은 제2 광자와 얽힌 제1 광자를 포함하고, 상기 제1 광자는 상기 제1 파장을 갖고 상기 제2 광자는 상기 제2 파장을 갖는 디바이스.
제67항에 있어서, 상기 제1 파장은 1260nm 내지 1675nm 범위의 텔레콤 파장을 포함하는 디바이스.
제67항에 있어서, 상기 제1 파장은 대략 1324nm이고 상기 제2 파장은 대략 795nm인 디바이스.
제67항에 있어서, 상기 제1 파장 및 상기 제2 파장은 상기 원자 증기 셀 내의 원자 증기의 원자 천이 레벨들에 튜닝되는 디바이스.
제66항에 있어서, 상기 간섭계는, 상기 제1 레이저 빔 및 상기 제2 레이저 빔을 이용하여, 수평 및 수직 편광된 광의 역전파 레이저 빔들을 생성하도록 구성된 디바이스.
제71항에 있어서, 상기 원자 증기 셀은 상기 간섭계에 의해 생성된 상기 역전파 레이저 빔들을 이용하여 상기 얽힌 광자 쌍을 생성하도록 구성된 디바이스.
제72항에 있어서, 상기 원자 증기 셀은 4파 혼합(four-wave mixing)을 이용하여 상기 얽힌 광자 쌍을 생성하도록 구성된 디바이스.
제66항에 있어서, 상기 제1 및 제2 레이저들과 상기 간섭계 사이의 렌즈를 추가로 포함하고, 상기 렌즈는 상기 간섭계 내의 초점에 상기 제1 레이저 빔 및 상기 제2 레이저 빔을 포커싱하도록 구성된 디바이스.
제74항에 있어서, 상기 원자 증기 셀은 상기 초점에 배치되는 디바이스.
제74항에 있어서, 상기 제1 및 제2 레이저들과 상기 렌즈 사이에 위치된 적어도 하나의 AOD(acousto-optical deflector)를 추가로 포함하고, 상기 적어도 하나의 AOD는 상기 제1 및 제2 레이저 빔들을 편향시켜 적어도 하나의 축을 따른 공간적 패턴을 생성하도록 구성된 디바이스.
제76항에 있어서, 상기 적어도 하나의 AOD는 상기 제1 및 제2 레이저 빔들을 편향시켜 2개의 축을 따른 공간적 패턴을 생성하도록 구성된 2개의 AOD를 포함하는 디바이스.
제66항에 있어서, 상기 간섭계는:
제1 편광 빔스플리터 - 상기 제1 편광 빔스플리터는 상기 제1 편광 빔스플리터의 직교면들에 입사하는 상기 제1 및 제2 레이저 빔들을 수광하도록 배치되고 및 상기 제1 및 제2 레이저 빔들을 조합하여 동일한 광 경로를 따라 공동 전파시키도록 구성됨 -; 및
제2 편광 빔스플리터 - 상기 제2 편광 빔스플리터는 상기 제2 편광 빔스플리터의 동일 면에 입사하는 상기 공동 전파하는 제1 및 제2 레이저 빔들을 수광하도록 배치되고 및 상기 제2 편광 빔스플리터의 2개의 직교 면으로부터, 상기 제1 및 제2 레이저 빔들의 수평 또는 수직 편광 성분들을 포함하는 개별 레이저 빔들을 출력하도록 구성됨 - 를 포함하고,
상기 빔 경로는 동일한 길이의 광 경로들을 트래버스함으로써 상기 개별 레이저 빔들이 상기 제2 빔스플리터로 복귀하게 야기하도록 구성된 순환 광 경로인 디바이스.
제66항에 있어서, 상기 간섭계는 사냑(Sagnac) 간섭계를 포함하는 디바이스.
제66항에 있어서, 상기 원자 증기 셀은 기밀 밀봉된 셀 및 광학적으로 투명한 벽들을 포함하는 디바이스.
제66항에 있어서, 상기 원자 증기 셀은 하나 이상의 진공 및/또는 냉각 컴포넌트에 결합되고, 상기 원자 증기 셀은 한정된 증기 영역에 원자 구름을 광학적으로 트랩하도록 구성되고, 상기 원자 증기 셀은 상기 원자 증기 셀을 통한 광의 다방향 통과를 허용하도록 구성된 포트들을 포함하는 디바이스.
제66항에 있어서, 상기 원자 증기 셀 내에 배치된 원자 구름의 원자들은 도파관을 포함하는 칩 상에 배치되거나 또는 중공 광섬유 내에 배치되는 디바이스.
양자 네트워킹을 수행하는 방법으로서:
제1 로케이션에 있는 제1 디바이스를 사용하여 제1 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍을 생성하는 단계;
상기 제1 로케이션과는 상이한 제2 로케이션에 배치된 제2 디바이스를 사용하여 제2 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍을 생성하는 단계;
상기 제1 및 제2 로케이션들에 있는 각자의 양자 메모리 디바이스들에 상기 제1 및 제2 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들 각각의 제1 광자를 제각기 저장하는 단계;
상기 제1 및 제2 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들 각각으로부터의 제2 광자를, 상기 제1 및 제2 로케이션들과 상이한 제3 로케이션에 배치된 제1의 2광자 간섭 측정 디바이스에 송신하는 단계; 및
상기 송신된 제2 광자들 및 상기 제1의 2광자 간섭 측정 디바이스에 대해 2광자 간섭 측정을 수행함으로써 새롭게 얽힌 광자 쌍을 형성하기 위해 상기 제1 및 제2 로케이션들에 있는 상기 저장된 제1 광자들의 상태들을 얽히게 하는 단계를 포함하는 방법.
제83항에 있어서, 상기 제1 및 제2 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들 각각을 생성하는 단계는:
제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔을 원자 증기 셀을 통해 통과시킴으로써 원자 증기를 포함하는 상기 원자 증기 셀 내에서 4파 혼합 프로세스를 야기하는 단계 - 상기 제1 레이저 빔은 제1 파장을 갖고, 상기 제2 레이저 빔은 제2 파장을 갖고, 상기 제1 파장은 상기 원자 증기의 제1 원자 천이의 주파수에 대응하고, 상기 제2 파장은 상기 원자 증기의 제2 원자 천이의 주파수에 대응함 - 를 포함하는 방법.
제84항에 있어서,
상기 제1 광자는 상기 제1 파장을 갖고,
상기 제2 광자는 상기 제2 파장을 갖고,
상기 제1 파장은 근적외선 파장이고,
상기 제2 파장은 적외선 파장인 방법.
제85항에 있어서, 상기 제1 파장은 795nm이고 상기 제2 파장은 1324nm인 방법.
제83항에 있어서, 상기 제2 광자를 송신하는 단계는 GPS-동기화된 디바이스로부터 타이밍 신호를 수신한 후에 일어나는 방법.
제83항에 있어서, 상기 제2 광자는 광섬유를 통해 상기 제1의 2광자 간섭 측정 디바이스에 송신되는 방법.
제83항에 있어서,
상기 제1 얽힌 광자 쌍의 저장된 제1 광자들 중 하나를 제2의 2광자 간섭 측정 디바이스에 송신하는 단계;
제2 얽힌 광자 쌍의 저장된 제1 광자를 상기 제2의 2광자 간섭 측정 디바이스에 송신하는 단계; 및
상기 제2의 2광자 간섭 측정 디바이스 및 상기 송신된 제1 광자들을 사용하여 2광자 간섭 측정을 수행함으로써 상기 제1 얽힌 광자 쌍의 다른 저장된 제1 광자를 상기 제2 얽힌 광자 쌍의 또 다른 저장된 제1 광자와 얽히게 하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
양자 정보를 송신하는 방법으로서:
복수의 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍을 생성하는 단계 - 상기 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍들 각각은 상이한 로케이션에 배치되고, 제1 주파수를 갖는 제1 광자 및 제2 주파수를 갖는 제2 광자를 포함함 -;
각자의 상이한 로케이션들에 있는 각각의 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍의 제1 광자를 저장하는 단계;
각각의 바이크로매틱 얽힌 광자 쌍의 제2 광자를 제1 중간 로케이션들에 송신하는 단계 - 각각의 제1 중간 로케이션은 2개의 제2 광자를 수광함 -;
상기 제1 중간 로케이션들 각각에서, 제1의 2광자 간섭 측정 디바이스들을 사용하여 상기 수광된 제2 광자들의 2광자 간섭 측정을 수행하는 단계; 및
상기 2광자 간섭 측정이 상기 제1의 2광자 간섭 측정 디바이스들에 의해 성공적으로 수행될 때 저장된 제1 광자들의 쌍들 사이에 새롭게 얽힌 상태를 생성하는 단계를 포함하는 방법.
제90항에 있어서,
상기 제1 광자들의 일부분을 제2 중간 로케이션들에 송신하는 단계 - 각각의 제2 중간 로케이션은 2개의 제1 광자를 수광함 -;
상기 제2 중간 로케이션들 각각에서, 제2의 2광자 간섭 측정 디바이스들을 이용하여 상기 수광된 제1 광자들의 2광자 간섭 측정을 수행하는 단계; 및
상기 2광자 간섭 측정이 상기 제2의 2광자 간섭 측정 디바이스들에 의해 성공적으로 수행될 때 저장된 제1 광자들의 상이한 쌍들 사이에 새롭게 얽힌 상태를 생성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.