KR20230159935A - 3차원으로 적층된 필름형 광학 모듈을 포함하는 광양자컴퓨터, 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

광양자컴퓨터는 양자 광원을 출력하는 양자 광원부, 상기 양자 광원을 빔-분리(beam-splitting)하는 제1 광학 모듈, 상기 양자 광원의 진폭, 위상, 및 진행 방향을 제어하는 공간 광 변조부, 큐빗 제어 게이트를 수행하는 제2 광학 모듈, 및 단일 광자를 검출하는 광자 검출부를 포함할 수 있다. 상기 제1 광학 모듈, 상기 공간 광 변조부, 및 상기 제2 광학 모듈은 필름형 구조를 가질 수 있다. 상기 양자 광원부, 상기 제1 광학 모듈, 상기 공간 광 변조부, 상기 제2 광학 모듈, 및 상기 광자 검출부는 3차원으로 적층될 수 있다.

Description

3차원으로 적층된 필름형 광학 모듈을 포함하는 광양자컴퓨터, 및 이의 제조 방법{PHOTONIC QUANTUM COMPUTER INCLUDING 3-DIMENSIONALLY STACKED THIN-FILM OPTICAL MODULE, AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 광양자컴퓨터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 필름형 광학 모듈이 3차원으로 적층된 대용량 광양자컴퓨터, 및 필름형 광학 모듈이 3차원으로 적층된 대용량 광양자컴퓨터의 제조 방법에 관한 것이다.
양자컴퓨터는 데이터 처리를 수행하기 위해, 양자 중첩(quantum superposition) 및 양자 얽힘(quantum entanglement)과 같은 양자 역학적 현상을 동작 원리로 사용하는 연산 기계 장치로 정의할 수 있다. 양자 역학적 원리를 이용해서 정보를 저장할 수 있는 단위 소자(혹은, 그 정보 자체)를 양자비트(quantum bit) 또는 큐빗 (qubit)이라 하며, 큐빗은 양자컴퓨터에서 정보의 기본 단위로 사용될 수 있다.
고전적인 정보저장소자에서 사용되는 비트(bit)는 "0" 또는 "1"의 상태를 갖는데 반해, 큐빗(qubit)는 중첩(superposition) 현상에 의해 "0"과 "1" 상태를 동시에 가질 수 있다. 또한, 얽힘(entanglement) 현상에 의해 큐빗들 사이에 상호 작용이 이루어질 수 있다. 이러한 큐빗의 특성에 의해, N개의 큐빗을 사용하면 2N개의 정보를 만들 수 있다. 따라서, 양자컴퓨터는 큐빗의 수를 늘림에 따라 정보의 양 및 처리 속도를 지수 함수적으로 증가시킬 수 있다.
하지만, 양자컴퓨터에서 요구되는 실질적인 큐빗의 개수는 백만개 이상임에도, 종래기술에 따른 양자컴퓨터는 2차원 평면 구조에 배열할 수 있는 큐빗 숫자의 한계에 따라 대용량의 큐빗을 포함하기 어려운 문제가 있다.
또한, 종래기술의 실리콘 포토닉스 기반 양자컴퓨터의 경우 2차원 평면에 다양한 광학요소들을 배치하기 위해 리쏘 공정을 이용하며, 리쏘 공정 시 불가피하게 형성되고 조절이 상대적으로 어려운 식각면의 거칠기로 광손실이 크며, 또한, 가해지는 열을 이용하여 빛의 굴절률을 변화시키는 방법 등으로 게이트 조절을 하였으나, 이와 같은 방법은 처리속도가 매우 느리고, 크로스토크가 발생하므로, 양질의 게이팅을 구현하기 어려운 문제가 있다.
한국공개특허 제 10-2022-0044944호 "광자 양자 컴퓨터 아키텍처"
본 발명의 일 목적은 단일 종류 또는 다양한 종류로 구성된 필름형 광학 모듈이 3차원으로 적층된 광양자컴퓨터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 단일 종류 또는 다양한 종류로 구성된 필름형 광학 모듈이 3차원으로 적층된 광양자컴퓨터의 제조 방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급된 과제에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 광양자컴퓨터는 양자 광원을 입력 및 출력하는 양자 광원부, 상기 양자 광원을 빔-분리(beam-splitting)하고, 상기 양자 광원을 제어하는 제1 광학 모듈, 상기 양자 광원의 진폭, 위상, 및 진행 방향을 제어하는 공간 광 변조부, 큐빗 제어 게이트를 수행하는 제2 광학 모듈, 및 단일 광자를 검출하는 광자 검출부를 포함할 수 있다. 상기 제1 광학 모듈, 상기 공간 광 변조부, 및 상기 제2 광학 모듈은 필름형 구조를 가질 수 있다. 상기 양자 광원부, 상기 제1 광학 모듈, 상기 공간 광 변조부, 상기 제2 광학 모듈, 및 상기 광자 검출부는 3차원으로 적층될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 양자 광원부 및 상기 광자 검출부 사이에는 N(N은 자연수)개의 모듈 블록이 반복적으로 배치될 수 있다. 상기 모듈 블록은 상기 제1 광학 모듈, 상기 제2 광학 모듈, 상기 공간 광 변조부, 및 상기 제2 광학 모듈이 순차적으로 적층된 구조를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 광학 모듈은 광원 빔 분리부 및 광 반사부를 포함할 수 있다. 상기 제1 광학 모듈에서, 상기 광원 빔 분리부 및 광 반사부는 순차적으로 반복하여 배열될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 광학 모듈은 편광 빔 분리부를 포함할 수 있다. 상기 제1 광학 모듈에서, 상기 편광 빔 분리부는 반복하여 배열될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 광학 모듈은 상기 양자 광원을 제1 빔 및 제2 빔으로 빔-분리(beam-splitting)할 수 있다. 상기 제1 빔 및 상기 제2 빔 사이의 거리는 10μm 내지 100μm 일 수 있다. 상기 제1 빔 및 상기 제2 빔 사이의 상기 거리는 상기 공간 광 변조부의 공간적 특성과 일치하도록 조정될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 광학 모듈은 상기 양자 광원부, 상기 제1 광학 모듈, 상기 공간 광 변조부, 및 상기 광자 검출부 중 어느 하나 및 어느 다른 하나 사이에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 광학 모듈은 HWP(Half Wave Plate), QWP(Quarter Wave Plate), Polarizer, Phase Shifter, NLO(Nonlinear Optics), ENZ(Epsilon-Near-Zero), Plasmonic Mat, 2D Mat 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 공간 광 변조부는 반사모드 및 투과모드 중 적어도 하나로 동작할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 공간 광 변조부는 편광 비의존적 공간 광 변조부(PI-SLM), 편광 의존적 공간 광 변조부(PS-SLM), 디지털 멀티미러 장치(DMD) 중 적어도 하나로 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광자 검출부는 CMOS 이미지 센서 기반의 GIS 검출기, 및 CMOS 이미지 센서 기반의 GISOI 검출기 중 적어도 하나로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 광양자컴퓨터의 제조 방법은 양자 광원을 입력 및 출력하는 양자 광원부를 형성하는 단계, 상기 양자 광원을 빔-분리(beam-splitting)하는 제1 광학 모듈을 형성하는 단계, 상기 양자 광원의 진폭, 위상, 및 진행 방향을 제어하는 공간 광 변조부를 형성하는 단계, 큐빗 제어 게이트를 수행하는 제2 광학 모듈을 형성하는 단계, 및 단일 광자를 검출하는 광자 검출부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1 광학 모듈, 상기 공간 광 변조부, 및 상기 제2 광학 모듈은 필름형 구조를 가질 수 있다. 상기 양자 광원부, 상기 제1 광학 모듈, 상기 공간 광 변조부, 상기 제2 광학 모듈, 및 상기 광자 검출부는 3차원으로 적층될 수 있다. 상기 제2 광학 모듈은 상기 양자 광원부, 상기 제1 광학 모듈, 상기 공간 광 변조부, 및 상기 광자 검출부 중 어느 하나 및 어느 다른 하나 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 광양자컴퓨터는 필름형 광학 모듈이 포도덩쿨(Grapevine)과 같은 형상의 3차원으로 적층됨에 따라 내부에 포함된 큐빗 개수가 증가할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 광양자컴퓨터는 각각의 필름형 광학 모듈이 단일 종류의 광학 요소로 구성되거나 여러 종류의 광학 요소들을 포함되도록 구성될 수 있다.
특히, 종래기술의 실리콘 포토닉스와 달리, 필름의 두께를 정확히 조절할 수 있는 박막 증착 기술을 이용할 수 있어 매우 정밀한 공정이 용이하고, 상대적으로 식각면의 거칠기를 줄일 수 있는 장점을 가지므로, 정확한 광학적 특성 조절이 가능하고, 손실을 최소화할 수 있다.
따라서, 본 발명의 광양자컴퓨터는 양질의 게이팅을 구현함으로써 처리할 수 있는 정보의 양 및 정보 처리 속도가 극대화될 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상술한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 광양자컴퓨터의 구조를 나타내는 평면도이다.
도 2는 도 1의 광양자컴퓨터를 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 1의 광양자컴퓨터의 3차원 적층 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1의 광양자컴퓨터에 모듈 블록이 반복적으로 배치된 일 예시를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 양자 광원부를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 제1 광학 모듈을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6의 제1 광학 모듈의 일 예시를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 6의 제1 광학 모듈의 다른 예시를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 공간 광 변조부를 나타내는 도면이다.
도 10은 도 9의 공간 광 변조부의 일 예시를 나타내는 도면이다.
도 11은 제2 광학 모듈의 일 예시를 나타내는 도면이다.
도 12는 제2 광학 모듈의 다른 예시를 나타내는 도면이다.
도 13은 제2 광학 모듈의 또 다른 예시를 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 광자 검출부를 나타내는 도면이다.
도 15는 도 14의 광자 검출부의 일 예시를 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 광양자컴퓨터의 제조 방법을 나타내는 도면이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들면 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들면 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 광양자컴퓨터의 구조를 나타내는 평면도이고, 도 2는 도 1의 광양자컴퓨터를 나타내는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 광양자컴퓨터는 양자 광원부(100), 제1 광학 모듈(200), 공간 광 변조부(300), 제2 광학 모듈(400), 및 광자 검출부(500)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 광양자컴퓨터는 양자 광원을 입력 및 출력하는 양자 광원부(100), 상기 양자 광원을 빔-분리(beam-splitting)하는 제1 광학 모듈(200), 상기 양자 광원의 진폭, 위상, 및 진행 방향을 제어하는 공간 광 변조부(300), 큐빗 제어 게이트를 수행하는 제2 광학 모듈(400), 및 단일 광자를 검출하는 광자 검출부(500)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 광양자컴퓨터는 양자 광원부(100) 및 광자 검출부(500) 사이에 제1 광학 모듈(200), 공간 광 변조부(300), 및 제2 광학 모듈(400)을 복수 개 포함할 수 있다.
광양자컴퓨터는 양자 중첩(quantum superposition) 및 양자 얽힘(quantum entanglement)과 같은 양자 역학적 현상을 이용하여 데이터 처리를 수행할 수 있다.
예를 들어, 광양자컴퓨터는 큐빗(qubit)의 중첩(superposition) 현상 및 얽힘(entanglement) 현상에 기초하여 많은 양의 정보를 빠르게 저장할 수 있다.
광양자컴퓨터는 처리할 수 있는 정보의 양 및 정보 처리 속도를 증가시키기 위하여 최대한 많은 양의 큐빗을 포함할 필요가 있다.
다만, 큐빗이 2차원 평면 구조에 배열되는 경우, 큐빗 배열 면적의 한계에 따라 광양자컴퓨터에 포함될 수 있는 큐빗의 개수가 제한되는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 도 2를 참조하면, 양자 광원부(100) 및 광자 검출부(500) 사이에 배치된 상기 제1 광학 모듈(200), 상기 공간 광 변조부(300), 및 상기 제2 광학 모듈(400)은 필름형 구조를 가질 수 있다.
즉, 본 발명의 광양자컴퓨터는 3차원으로 적층된 상기 양자 광원부(100), 상기 제1 광학 모듈(200), 상기 공간 광 변조부(300), 상기 제2 광학 모듈(400), 및 상기 광자 검출부(500)를 포함할 수 있다.
도 3은 도 1의 광양자컴퓨터의 3차원 적층 구조를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 양자 광원부(100) 및 광자 검출부(500) 사이에 배치된 상기 제1 광학 모듈(200), 상기 공간 광 변조부(300), 및 상기 제2 광학 모듈(400)은 필름형 구조를 가질 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 광양자컴퓨터는 필름형 구조의 상기 제1 광학 모듈(200), 필름형 구조의 상기 공간 광 변조부(300), 및 필름형 구조의 상기 제2 광학 모듈(400)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 광학 모듈(200), 상기 공간 광 변조부(300), 및 상기 제2 광학 모듈(400)은 각각의 고유한 기능이 모듈화될 수 있다.
상기 제1 광학 모듈(200), 상기 공간 광 변조부(300), 및 상기 제2 광학 모듈(400)이 필름형 구조를 가짐에 따라, 상기 양자 광원부(100), 상기 제1 광학 모듈(200), 상기 공간 광 변조부(300), 상기 제2 광학 모듈(400), 및 상기 광자 검출부(500)는 포도덩쿨(Grapevine)과 같은 형상의 3차원으로 적층될 수 있다.
양자 광원부(100) 및 광자 검출부(500) 사이에는 사이에 제1 광학 모듈(200), 공간 광 변조부(300), 및 제2 광학 모듈(400)이 복수 개 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 광학 모듈(400)은 상기 양자 광원부(100), 상기 제1 광학 모듈(200), 상기 공간 광 변조부(300), 및 상기 광자 검출부(500) 중 어느 하나 및 어느 다른 하나 사이에 배치될 수 있다.
구체적으로, 도 3에서 보듯이, 광양자컴퓨터는 양자 광원부(100), 제2 광학 모듈(400), 제1 광학 모듈(200), 제2 광학 모듈(400), 공간 광 변조부(300), 제2 광학 모듈(400), 제1 광학 모듈(200), 제2 광학 모듈(400), 및 광자 검출부(500)가 순차적으로 적층된 구조로 구성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 광양자컴퓨터는 필름형 광학 모듈이 포도덩쿨(Grapevine)과 같은 형상의 3차원으로 적층됨에 따라 내부에 포함된 큐빗 개수가 증가할 수 있다.
따라서, 본 발명의 광양자컴퓨터는 양질의 게이팅을 구현하고, 처리할 수 있는 정보의 양 및 정보 처리 속도가 극대화될 수 있다.
도 4는 도 1의 광양자컴퓨터에 모듈 블록이 반복적으로 배치된 일 예시를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 광양자컴퓨터는 복수의 모듈 블록을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 양자 광원부(100) 및 상기 광자 검출부(500) 사이에는 N(N은 자연수)개의 모듈 블록이 반복적으로 배치될 수 있다.
상기 모듈 블록은 상기 제1 광학 모듈(200), 상기 제2 광학 모듈(400), 상기 공간 광 변조부(300), 및 상기 제2 광학 모듈(400)이 순차적으로 적층된 구조를 포함할 수 있다.
도 4에는 상기 양자 광원부(100) 및 상기 광자 검출부(500) 사이에 3(N=3)개의 모듈 블록이 반복적으로 배치된 것이 도시되어 있다.
예를 들어, 광양자컴퓨터는 양자 광원부(100), 제2 광학 모듈(400), 제1 광학 모듈(200), 제2 광학 모듈(400), 공간 광 변조부(300), 제2 광학 모듈(400), 제1 광학 모듈(200), 제2 광학 모듈(400), 공간 광 변조부(300), 제2 광학 모듈(400), 제1 광학 모듈(200), 제2 광학 모듈(400), 공간 광 변조부(300), 제2 광학 모듈(400), 제1 광학 모듈(200), 제2 광학 모듈(400), 및 광자 검출부(500)가 순차적으로 적층된 구조로 구성될 수 있다.
한편, 양자 광원부(100) 및 광자 검출부(500) 사이에 배치된 복수의 제1 광학 모듈(200) 각각은 서로 다른 종류의 제1 광학 모듈(200)일 수 있다. 또한, 양자 광원부(100) 및 광자 검출부(500) 사이에 배치된 복수의 공간 광 변조부(300) 각각은 서로 다른 종류의 공간 광 변조부(300)일 수 있다. 또한, 양자 광원부(100) 및 광자 검출부(500) 사이에 배치된 복수의 제2 광학 모듈(400) 각각은 서로 다른 종류의 제2 광학 모듈(400)일 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 양자 광원부(100)를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 양자 광원부(100)는 양자 광원을 입력받고, 양자 광원을 출력할 수 있다.
예를 들어, 양자 광원부(100)는 DeMUX 및 NLO를 포함할 수 있다. 다른 예를 들어, 양자 광원부(100)는 DeMUX 및 Patterned NLO를 포함할 수 있다.
구체적으로, 양자 광원부(100)는 제1 실리콘 박막, 상기 제1 실리콘 박막 상에 형성된 제1 SiO2 박막, 상기 SiO2 박막 상에 형성된 제2 실리콘 박막, 상기 제2 실리콘 박막 상에 형성된 제2 SiO2 박막을 포함할 수 있다.
상기 제2 실리콘 박막 및 상기 제2 SiO2 박막은 소정의 형상으로 패터닝될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 실리콘 박막 및 상기 제2 SiO2 박막은 열처리에 의해 퀀텀-닷(Quatum Dot) 배열의 패턴이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 퀀텀-닷 사이의 거리는 1μm 내지 100μm일 수 있다.도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 제1 광학 모듈(200)을 나타내는 도면이고, 도 7은 도 6의 제1 광학 모듈(200)의 일 예시를 나타내는 도면이며, 도 8은 도 6의 제1 광학 모듈(200)의 다른 예시를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 제1 광학 모듈(200)은 상기 양자 광원을 빔-분리(beam-splitting)할 수 있다. 예를 들어, 제1 광학 모듈(200)은 빔 분리기(beam-splitter)일 수 있다.
또한, 제1 광학 모듈(200)은 상기 양자 광원을 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 광학 모듈(200)은 필름형 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 6(a)와 같이, 제1 광학 모듈(200)은 슬라이스로 잘린 필름형 구조를 가질 수 있다.
도 6(b)와 같이, 제1 광학 모듈(200)은 입사된 상기 양자 광원을 제1 빔 및 제2 빔으로 빔-분리할 수 있다.
도 6(c)를 참조하면, 빔-분리된 제1 빔 및 제2 빔은 소정의 간격으로 이격될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 빔 및 상기 제2 빔 사이의 거리는 10μm 내지 100μm 일 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 빔 및 상기 제2 빔 사이의 상기 거리는 상기 공간 광 변조부의 공간적 특성과 일치하도록 조정될 수 있다.
도 7를 참조하면, 제1 광학 모듈(200)은 미러 모듈(mirror module)일 수 있다.
예를 들어, 도 7(a)와 같이, 제1 광학 모듈(200)은 광원 빔 분리부(BS) 및 광 반사부(Mirror)를 포함할 수 있다.
제1 광학 모듈(200)이 미러 모듈인 경우, 제1 광학 모듈(200)에서 상기 광원 빔 분리부 및 광 반사부는 순차적으로 반복하여 배열될 수 있다.
도 7(b), 및 7(c)에서 보듯이, 입사된 양자 광원은 광 반사부에서 반사되고, 광원 빔 분리부에서 빔-분리될 수 있다.
도 8을 참조하면, 제1 광학 모듈(200)은 PBS 모듈(Polarized Beam Splitter module)일 수 있다.
예를 들어, 도 8(a)와 같이, 상기 제1 광학 모듈(200)은 편광 빔 분리부를 포함할 수 있다.
제1 광학 모듈(200)이 PBS 모듈인 경우, 제1 광학 모듈(200)에서, 상기 편광 빔 분리부는 반복하여 배열될 수 있다.
상기 편광 빔 분리부는 도 8(b)와 같이, 단독으로 반복하여 배열될 수도 있다.
또한, 상기 편광 빔 분리부는 도 8(c)와 같이, 더미 레이어(dummy layer)와 순차적으로 반복하여 배열될 수도 있다.
다만, 본 발명의 제1 광학 모듈(200)의 종류는 도 7 및 도 8에 한정되지 않으며, 제1 광학 모듈(200)은 다양한 종류의 빔 분리기로 대체될 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 공간 광 변조부(300)를 나타내는 도면이고, 도 10은 도 9의 공간 광 변조부(300)의 일 예시를 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 공간 광 변조부(300)는 양자 광원의 진폭, 위상, 및 진행 방향 중 적어도 하나를 제어할 수 있다. 예를 들어, 공간 광 변조부(300)는 프로그램 가능한(Programable) 능동형 소자일 수 있다.
공간 광 변조부(300)는 필름형 구조를 가질 수 있다.
도 9(a) 및 9(b)에서 보듯이, 상기 공간 광 변조부(300)는 반사모드 및 투과모드 중 적어도 하나로 동작할 수 있다.
예를 들어, 반사 모드에서, 공간 광 변조부(300)는 입사된 광원을 제어하여 다른 방향으로 반사할 수 있다.
예를 들어, 투과 모드에서, 공간 광 변조부(300)는 입사된 광원을 제어하여 다른 형태로 투과할 수 있다.
도 9(c), 9(d) 및 9(e)에서 보듯이, 상기 공간 광 변조부(300)는 입사된 광원의 진폭, 위상, 및 복소수를 제어할 수 있다.
도 10을 참조하면, 상기 공간 광 변조부(300)는 편광 비의존적 공간 광 변조부(PI-SLM), 편광 의존적 공간 광 변조부(PS-SLM), 디지털 멀티미러 장치(DMD) 중 적어도 하나로 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 10(a)와 같이, 공간 광 변조부(300)는 편광 비의존적 공간 광 변조부(PI-SLM)일 수 있다.
예를 들어, 도 10(b)와 같이, 공간 광 변조부(300)는 편광 의존적 공간 광 변조부(PS-SLM)일 수 있다.
도 11은 제2 광학 모듈(400)의 일 예시를 나타내는 도면이고, 도 12는 제2 광학 모듈(400)의 다른 예시를 나타내는 도면이며, 도 13은 제2 광학 모듈(400)의 또 다른 예시를 나타내는 도면이다.
일 실시예에서, 제2 광학 모듈(400)은 큐빗 제어 게이트를 수행할 수 있다. 제2 광학 모듈(400)은 필름형 구조를 가질 수 있다.
예를 들어, 제2 광학 모듈(400)은 상기 양자 광원부(100), 상기 제1 광학 모듈(200), 상기 공간 광 변조부(300), 및 상기 광자 검출부(500) 중 어느 하나 및 어느 다른 하나 사이에 배치될 수 있다.
제2 광학 모듈(400)은 HWP(Half Wave Plate), QWP(Quarter Wave Plate), Polarizer, Phase Shifter, NLO(Nonlinear Optics), ENZ(Epsilon-Near-Zero), Plasmonic Mat, 2D Mat 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 11을 참조하면, 제2 광학 모듈(400)은 HWP(Half Wave Plate)일 수 있다.
예를 들어, 제2 광학 모듈(400)은 단일한 HWP 박막일 수 있다. 예를 들어, 제2 광학 모듈(400)은 HWP가 반복적으로 배열된 박막일 수 있다. 예를 들어, 제2 광학 모듈(400)은 HWP와 더미 레이어(dummy layer)가 순차적으로 반복되는 박막일 수 있다.
도 12를 참조하면, 제2 광학 모듈(400)은 Polarizer일 수 있다.
예를 들어, 제2 광학 모듈(400)은 단일한 Polarizer 박막일 수 있다. 예를 들어, 제2 광학 모듈(400)은 Polarizer가 반복적으로 배열된 박막일 수 있다. 예를 들어, 제2 광학 모듈(400)은 Polarizer와 위상이 θ/2 만큼 변경된 Polarizer(+θ/2)가 순차적으로 반복되는 박막일 수 있다. 예를 들어, 제2 광학 모듈(400)은 Polarizer와 더미 레이어(dummy layer)가 순차적으로 반복되는 박막일 수 있다.
도 13을 참조하면, 제2 광학 모듈(400)은 Phase Shifter일 수 있다.
예를 들어, 제2 광학 모듈(400)은 단일한 Phase Shifter 박막일 수 있다. 예를 들어, 제2 광학 모듈(400)은 Phase Shifter가 반복적으로 배열된 박막일 수 있다. 예를 들어, 제2 광학 모듈(400)은 Phase Shifter와 더미 레이어(dummy layer)가 순차적으로 반복되는 박막일 수 있다.
다만, 본 발명의 제2 광학 모듈(400)의 종류는 도 11 내지 도 13에 한정되지 않는다.
도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 광자 검출부(500)를 나타내는 도면이고, 도 15는 도 14의 광자 검출부(500)의 일 예시를 나타내는 도면이다.
도 14를 참조하면, 광자 검출부(500)는 단일 광자를 검출할 수 있다.
예를 들어, 광자 검출부(500)는 CMOS 이미지 센서 기반의 GIS 검출기, 및 CMOS 이미지 센서 기반의 GISOI 검출기 중 적어도 하나로 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 광자 검출부(500)는 그래핀(Graphene)층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 15에서 보듯이, 광자 검출부(500)는 Graphene - SOI 기반 광센서일 수 있다.
도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 광양자컴퓨터의 제조 방법을 나타내는 도면이다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 광양자컴퓨터는 양자 광원을 입력 및 출력하는 양자 광원부(100)를 형성(S100)하고, 상기 양자 광원을 빔-분리(beam-splitting)하는 제1 광학 모듈(200)을 형성(S200)하며, 상기 양자 광원의 진폭, 위상, 및 진행 방향을 제어하는 공간 광 변조부(300)를 형성(S300)하고, 큐빗 제어 게이트를 수행하는 제2 광학 모듈(400)을 형성(S400)하고, 단일 광자를 검출하는 광자 검출부(500)를 형성(S500)함으로써, 제조될 수 있다.
양자 광원부(100) 및 광자 검출부(500) 사이에 배치된 상기 제1 광학 모듈(200), 상기 공간 광 변조부(300), 및 상기 제2 광학 모듈(400)은 필름형 구조를 가질 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 광양자컴퓨터는 필름형 구조의 상기 제1 광학 모듈(200), 필름형 구조의 상기 공간 광 변조부(300), 및 필름형 구조의 상기 제2 광학 모듈(400)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 광학 모듈(200), 상기 공간 광 변조부(300), 및 상기 제2 광학 모듈(400)은 각각의 고유한 기능이 모듈화될 수 있다.
상기 제1 광학 모듈(200), 상기 공간 광 변조부(300), 및 상기 제2 광학 모듈(400)이 필름형 구조를 가짐에 따라, 상기 양자 광원부(100), 상기 제1 광학 모듈(200), 상기 공간 광 변조부(300), 상기 제2 광학 모듈(400), 및 상기 광자 검출부(500)는 포도덩쿨(Grapevine)과 같은 형상의 3차원으로 적층될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 광학 모듈(400)은 상기 양자 광원부(100), 상기 제1 광학 모듈(200), 상기 공간 광 변조부(300), 및 상기 광자 검출부(500) 중 어느 하나 및 어느 다른 하나 사이에 배치될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 광양자컴퓨터는 필름형 광학 모듈이 포도덩쿨(Grapevine)과 같은 형상의 3차원으로 적층됨에 따라 내부에 포함된 큐빗 개수가 증가할 수 있다.
따라서, 본 발명의 광양자컴퓨터는 양질의 게이팅을 구현하고, 처리할 수 있는 정보의 양 및 정보 처리 속도가 극대화될 수 있다.
다만, 이에 대해서는 상술한 바 있으므로, 그에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100: 양자 광원부
200: 제1 광학 모듈
300: 공간 광 변조부
400: 제2 광학 모듈
500: 광자 검출부

Claims (11)

  1. 양자 광원을 입력 및 출력하는 양자 광원부;
    상기 양자 광원을 빔-분리(beam-splitting)하는 제1 광학 모듈;
    상기 양자 광원의 진폭, 위상, 및 진행 방향을 제어하는 공간 광 변조부;
    큐빗 제어 게이트를 수행하는 제2 광학 모듈; 및
    단일 광자를 검출하는 광자 검출부를 포함하고,
    상기 제1 광학 모듈, 상기 공간 광 변조부, 및 상기 제2 광학 모듈은 필름형 구조를 가지고,
    상기 양자 광원부, 상기 제1 광학 모듈, 상기 공간 광 변조부, 상기 제2 광학 모듈, 및 상기 광자 검출부는 3차원으로 적층된 것을 특징으로 하는,
    광양자컴퓨터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양자 광원부 및 상기 광자 검출부 사이에는 N(N은 자연수)개의 모듈 블록이 반복적으로 배치되고,
    상기 모듈 블록은,
    상기 제1 광학 모듈, 상기 제2 광학 모듈, 상기 공간 광 변조부, 및 상기 제2 광학 모듈이 순차적으로 적층된 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    광양자컴퓨터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광학 모듈은 광원 빔 분리부 및 광 반사부를 포함하고,
    상기 제1 광학 모듈에서, 상기 광원 빔 분리부 및 광 반사부는 순차적으로 반복하여 배열되는 것을 특징으로 하는,
    광양자컴퓨터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광학 모듈은 편광 빔 분리부를 포함하고,
    상기 제1 광학 모듈에서, 상기 편광 빔 분리부는 반복하여 배열되는 것을 특징으로 하는,
    광양자컴퓨터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광학 모듈은 상기 양자 광원을 제1 빔 및 제2 빔으로 빔-분리(beam-splitting)하고,
    상기 제1 빔 및 상기 제2 빔 사이의 거리는 10μm 내지 100μm 이고,
    상기 제1 빔 및 상기 제2 빔 사이의 상기 거리는 상기 공간 광 변조부의 공간적 특성과 일치하도록 조정되는 것을 특징으로 하는,
    광양자컴퓨터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 광학 모듈은,
    상기 양자 광원부, 상기 제1 광학 모듈, 상기 공간 광 변조부, 및 상기 광자 검출부 중 어느 하나 및 어느 다른 하나 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는,
    광양자컴퓨터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 광학 모듈은,
    HWP(Half Wave Plate), QWP(Quarter Wave Plate), Polarizer, Phase Shifter, NLO(Nonlinear Optics), ENZ(Epsilon-Near-Zero), Plasmonic Mat, 2D Mat 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    광양자컴퓨터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 공간 광 변조부는,
    반사모드 및 투과모드 중 적어도 하나로 동작하는 것을 특징으로 하는,
    광양자컴퓨터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 공간 광 변조부는,
    편광 비의존적 공간 광 변조부(PI-SLM), 편광 의존적 공간 광 변조부(PS-SLM), 디지털 멀티미러 장치(DMD) 중 적어도 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는,
    광양자컴퓨터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광자 검출부는,
    CMOS 이미지 센서 기반의 GIS 검출기, 및 CMOS 이미지 센서 기반의 GISOI 검출기 중 적어도 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는,
    광양자컴퓨터.
  11. 양자 광원을 입력 및 출력하는 양자 광원부를 형성하는 단계;
    상기 양자 광원을 빔-분리(beam-splitting)하는 제1 광학 모듈을 형성하는 단계;
    상기 양자 광원의 진폭, 위상, 및 진행 방향을 제어하는 공간 광 변조부를 형성하는 단계;
    큐빗 제어 게이트를 수행하는 제2 광학 모듈을 형성하는 단계; 및
    단일 광자를 검출하는 광자 검출부를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 광학 모듈, 상기 공간 광 변조부, 및 상기 제2 광학 모듈은 필름형 구조를 가지고,
    상기 양자 광원부, 상기 제1 광학 모듈, 상기 공간 광 변조부, 상기 제2 광학 모듈, 및 상기 광자 검출부는 3차원으로 적층되고,
    상기 제2 광학 모듈은 상기 양자 광원부, 상기 제1 광학 모듈, 상기 공간 광 변조부, 및 상기 광자 검출부 중 어느 하나 및 어느 다른 하나 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는,
    광양자컴퓨터의 제조 방법.
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