[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

KR20160050240A - 스퀴즈드 상태의 빔과 두개의 결맞은 상태의 빔을 이용한 진공 상태를 제거한 광자 생성 장치 및 광자 생성 방법 - Google Patents

스퀴즈드 상태의 빔과 두개의 결맞은 상태의 빔을 이용한 진공 상태를 제거한 광자 생성 장치 및 광자 생성 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20160050240A
KR20160050240A KR1020140147954A KR20140147954A KR20160050240A KR 20160050240 A KR20160050240 A KR 20160050240A KR 1020140147954 A KR1020140147954 A KR 1020140147954A KR 20140147954 A KR20140147954 A KR 20140147954A KR 20160050240 A KR20160050240 A KR 20160050240A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
input
output
angle
photon
input beam
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
KR1020140147954A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101653054B1 (ko
Inventor
윤선현
Original Assignee
전남대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 전남대학교산학협력단 filed Critical 전남대학교산학협력단
Priority to KR1020140147954A priority Critical patent/KR101653054B1/ko
Publication of KR20160050240A publication Critical patent/KR20160050240A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101653054B1 publication Critical patent/KR101653054B1/ko
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G02B27/283—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising used for beam splitting or combining
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0025—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical correction, e.g. distorsion, aberration
    • G02B27/0068—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical correction, e.g. distorsion, aberration having means for controlling the degree of correction, e.g. using phase modulators, movable elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/068—Stabilisation of laser output parameters
    • H01S5/06821—Stabilising other output parameters than intensity or frequency, e.g. phase, polarisation or far-fields

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

광자 생성 장치 및 이를 이용하는 광자 생성 방법이 제공된다. 본 광자 생성 장치는, 제1 입력 빔(beam)과 제2 입력 빔이 입력되어 제1 출력 빔과 제2 출력빔이 출력되는 제1 빔 스플리터(beam splitter) 및 제1 출력 빔과 제3 입력 빔이 입력되어 제3 출력 빔과 제4 출력빔이 출력되는 제2 빔 스플리터를 포함할 수 있게 되어, 진공 상태가 제거된 비고전적인 양자 상태의 광자를 효율적으로 생성할 수 있게 된다.

Description

스퀴즈드 상태의 빔과 두개의 결맞은 상태의 빔을 이용한 진공 상태를 제거한 광자 생성 장치 및 광자 생성 방법 {Vacuum-evacuated photon generation device and method using squeezed state beam and two coherent state beam}
본 발명은 진공 상태를 제거한 광자 생성 장치 및 광자 생성 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 스퀴즈드 상태의 빔과 두개의 결맞은 상태의 빔을 이용하여 진공 상태를 제거한 광자 생성 장치 및 광자 생성 방법에 관한 것이다.
특정 비고전적인 양자 상태의 생성은 양자 정보학(quantum information science)에서 중요한 역할을 수행하며 초고정밀 측정 및 양자 리소그래피(lithography)에 다양하게 응용될 수 있다. 최근, 양자 처리(quantum process)에서 원하는 비고전적인 광자 상태(photonic state)를 만들기 위해, 빛 필드(light field)와 매질(medium) 사이의 비선형 상호작용에 의해 생성되는 비고전적인 빛을 제어하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 비고전적인 상태의 제어에서, 조건적 상태 준비 방식은 심지어 단일 광자 레벨(single-photon)에서도 양자 측정에 의해 유도되는 강한 비선형성(nonlinearity)의 이점이 있다. 만약, 파라메트릭 다운 변환(parametric down conversion)으로 생성된 얽혀진 광자들(entangled photons) 중 하나가 측정되면, 진공과 단일 광자(single-photon) 상태의 임의의 중첩은 성취되고 결맞음 상태(coherent states) 및 Fock 상태의 다양한 조합은 조건적으로 생성 및 해석될 수 있다. 빔 스플리터에서 조건적 측정(conditional measurements)에 의해 스퀴즈드 광소스(squeezed light source)를 이용하여 만들어지는 슈뢰딩거 상태(Schrodinger states)와 같은 비선형 광자상태(photonic-state)의 생성은 이론과 실험으로 매우 많은 연구가 이루어지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 제1 입력 빔(beam)과 제2 입력 빔이 입력되어 제1 출력 빔과 제2 출력빔이 출력되는 제1 빔 스플리터(beam splitter) 및 제1 출력 빔과 제3 입력 빔이 입력되어 제3 출력 빔과 제4 출력빔이 출력되는 제2 빔 스플리터를 포함하는 광자 생성 장치 및 이를 이용하는 광자 생성 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 광자 생성 장치는, 제1 입력 빔(beam)과 제2 입력 빔이 입력되어 제1 출력 빔과 제2 출력빔이 출력되는 제1 빔 스플리터(beam splitter); 및 상기 제1 출력 빔과 제3 입력 빔이 입력되어 제3 출력 빔과 제4 출력빔이 출력되는 제2 빔 스플리터;를 포함한다.
그리고, 상기 제1 입력 빔은 스퀴즈드 상태(squeezed state)의 빔이고, 상기 제2 입력 빔 및 제3 입력 빔은, 결맞음(coherent) 상태이고 서로 제1 각도만큼 위상차가 있을 수로 있다.
또한, 상기 제1 각도를 제어하는 제어부;를 더 포함할 수도 있다.
그리고, 상기 제3 입력 빔의 위상을 변조시키는 위상 변조기(phase modulator)를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 위상 변조기를 이용하여 상기 제1 각도를 제어할 수도 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제1 입력 빔과 상기 제2 입력 빔이 제2 각도 만큼 위상차가 발생되도록 제어할 수도 있다.
그리고, 상기 제어부는, 상기 제1 각도(
Figure pat00001
)와 상기 제2 각도(
Figure pat00002
)가 아래의 수식을 만족하도록 제어할 수도 있다.
Figure pat00003
또한, 상기 제2 출력 빔의 광자를 검출하는 제1 검출기; 및 상기 제3 출력 빔의 광자를 검출하는 제2 검출기;를 더 포함할 수도 있다.
그리고, 상기 제어부는, 상기 제1 검출기에서 검출되는 광자의 정보를 이용하여 상기 제2 각도를 유지하기 위한 피드백 제어할 수도 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제2 검출기에서 검출되는 광자의 정보를 이용하여 상기 제1 각도를 유지하기 위한 피드백 제어할 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른, 광자 생성 장치에 의한 광자 생성 방법은, 제1 입력 빔(beam)과 제2 입력 빔이 입력되어 제1 출력 빔과 제2 출력빔이 출력되도록 하는 제1 빔 분할 단계; 상기 제1 출력 빔과 제3 입력 빔이 입력되어 제3 출력 빔과 제4 출력빔의 출력되도록 하는 제2 빔 분할 단계; 상기 제2 입력 빔 및 제3 입력 빔이 제1 각도만큼 위상차가 유지되도록 제어하는 단계; 및 상기 제1 입력 빔 및 제2 입력 빔이 제2 각도만큼 위상차가 유지되도록 제어하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 제1 입력 빔(beam)과 제2 입력 빔이 입력되어 제1 출력 빔과 제2 출력빔이 출력되는 제1 빔 스플리터(beam splitter) 및 제1 출력 빔과 제3 입력 빔이 입력되어 제3 출력 빔과 제4 출력빔이 출력되는 제2 빔 스플리터를 포함하는 광자 생성 장치 및 이를 이용하는 광자 생성 방법을 제공할 수 있게 되어, 진공 상태가 제거된 비고전적인 양자 상태의 광자를 효율적으로 생성할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 광자 생성 장치(100)의 개략적인 구성을 도시한 도면,
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 제2 빔 스플리터 t2의 투과율(transmittance) 및
Figure pat00004
와
Figure pat00005
사이의 상대적 위상(
Figure pat00006
)의 함수로써, |C(1,1,0)|2 및 |C(1,1,1)|2을 나타내는 그래프,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 로그 스케일에서 진폭
Figure pat00007
와
Figure pat00008
의 함수로써 |C(1,1,1)|2의 확률을 도시한 그래프,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 확률 패턴의 변화를 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 확률 |C(1,1,1)|2가 감소하는 부분을 설명하기 위해, 두가지 확률 |C(1,1,1)|2와 확률 |C(1,1,2)|2를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 진폭
Figure pat00009
및
Figure pat00010
에 대한 함수로써 확률비
Figure pat00011
를 로그 스케일로 도시한 그래프,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 다른 고정된 파라미터와 함께 위상각 θp의 함수로써 확률들 |C(1,1,0)|2, |C(1,1,1)|2, 및 |C(1,1,2)|2을 로그스케일로 도시한 그래프,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 하나의 칩 상태로 구현 가능한 비고전적 광자 상태 생성 장치의 구조를 도시한 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 광자 생성 장치(100)의 개략적인 구성을 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 2개의 결맞은 빔(coherent beam)(b,c)은 캐스캐이드 방식으로 배치된 빔 스플리터를 통해 더해진다. 두개의 빔 스플리터(110, 120)와 두개의 결맞은 빔은 고도의 비고전적인 출력을 제어하기 위한 자유도(degree of freedom)을 부여하게 된다. 두개의 광검출기(photodetector)에서 동시에 검출되는 광자에 의해 세개의 입력 빔으로부터 하나의 출력을 특징지을 수 있게 된다. 광자 생성 장치(100)의 자세한 구조에 대해서는 차후 도 8을 참고하여 더 상세히 설명한다.
이하에서는, 하나의 스퀴즈드 상태 입력과 두개의 결맞은 상태의 입력을 가진 두개의 캐스캐이드 방식으로 배치된 빔 스플리터의 연산자 관계식을 먼저 계산한다. 그 후에, 출력 포트의 두개의 검출기가 하나의 광자를 동시에 검출하였을 때의 확률 진폭을 계산한 후에, 출력포트가 진공이 아닌 상태를 포함하는 조건을 찾는다. 진공상태를 제거함으로써, 결맞은 상태의 진폭과 스퀴즈드 진공의 강도(strength)에 대한 함수로써 출럭의 하나 및 두개의 광자를 찾을 수 있는 확률을 계산한다. 그 후에 주요 결과를 요약하고 광자 생성 장치의 상세한 구조에 대해 설명한다.
먼저, 두개의 캐스캐이드 방식으로 배치된 빔 스플리터(110,120)의 관계식을 아래와 같이 설명한다.
가장 일반적인 빔 스플리터 관계식은 다음과 같다.
Figure pat00012
도 1에 도시된 광자 생성 장치(100)에서, 3개의 입력 빔(a,b,c)를 위한 3개의 생성 연산자(creation operator)는
Figure pat00013
로 표현할 수 있다. 그리고, 두개의 빔 스플리터(110,120)의 출력(w,v,u)은 세개의 생성 연산자
Figure pat00014
로 표현된다. 빔 스플리터 BSi의 매개변수는
Figure pat00015
이다.
상술된 수식 (1)의 연산자 관계식을 이용하여, 다음과 같은 입력모드 및 출력모드 사이의 관계식을 산출할 수 있다.
Figure pat00016
스퀴즈드 진공 상태
Figure pat00017
는 입력모드 a 내에 있고, 또한 두개의 결맞음 상태인
Figure pat00018
및
Figure pat00019
은 입력모드 b 및 c 내에 각각 있게 된다. 또한, 입력 상태인
Figure pat00020
,
Figure pat00021
및
Figure pat00022
는 상태수 표현(number state representation)으로 표현될 수 있다.
Figure pat00023
여기에서, 스퀴징 변수
Figure pat00024
에 따른 스귀즈드 진공 계수인
Figure pat00025
는 모든 홀수인
Figure pat00026
에 대해 값이 0이고 짝수인
Figure pat00027
에 대해서만 0이 아닌 값을 가지게 된다. 짝수인
Figure pat00028
에 대한
Figure pat00029
의 0이 아닌 값은 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00030
수식 (2) 및 (3)의 빔 스플리터 관계식을 이용하면, 연산자
Figure pat00031
는 다음과 같이 다시 표현할 수 있다.
Figure pat00032
연산자 관계식
Figure pat00033
를 이용하면, 입력 상태를 다음과 같이 연산자
Figure pat00034
의 곱셈 형태로 표현할 수 있게 된다.
Figure pat00035
상술된 수식 (2) 내지 (8)을 이용하면, 다음과 같이 연산자
Figure pat00036
는 연산자
Figure pat00037
로 대체되어 표현될 수 있게 된다.
Figure pat00038
삼항 계수(trinomial coefficient)를 이용하면 아래와 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00039
여기에서, n'에 대한 서메이션(summation)은
Figure pat00040
와 같이 음수가 아닌
Figure pat00041
에 대한 모든 서메이션을 나타낸다. n, l, 및 m에 대해
Figure pat00042
,
Figure pat00043
, 및
Figure pat00044
을 만족하는 모든 텀(term)을 수집할 수 있다면, 수식 (11)을 다음과 같이 표현할 수 있게 된다.
Figure pat00045
주어진 3개의 입력 상태
Figure pat00046
,
Figure pat00047
및
Figure pat00048
에 대해, 3개의 출력 모드에서 광자를 검출할 수 있는 확률에 대한 계수인
Figure pat00049
를 산출할 수 있다. 계수 C(1,1,0), C(1,1,1), 및 C(1,1,2)는 다음과 같이 산출된다.
Figure pat00050
Figure pat00051
여기에서,
Figure pat00052
와
Figure pat00053
이고,
Figure pat00054
,
Figure pat00055
는 실수이다.
Figure pat00056
와
Figure pat00057
사이의 상대적 위상은
Figure pat00058
이고,
Figure pat00059
와
Figure pat00060
사이의 상대적 위상은
Figure pat00061
이다. 노테이션(notation)을 간단히 하기 위해, 각도
Figure pat00062
p와
Figure pat00063
p를 아래와 같이 정의한다.
Figure pat00064
만약, t1=1 및 t2=1를 대입하면, u에서의 출력 필드는 입력 모드 a로부터 간단하게 스퀴즈드 진공상태(squeezed vacuum state)가 되며, C(1,1,0), C(1,1,1), 및 C(1,1,2)는 다음과 같이 간단히 표현된다.
Figure pat00065
이와 같은 계수들은 스퀴즈드 진공인 입력 모드 a의 광자 수 분포에 비례한다. 반면, 만약 t1=0 및 t2=1을 대입할 경우, u의 출력 필드는 입력모드 b로부터 간단하게 스퀴즈드 진공 상태가 된다. 또한, C(1,1,0), C(1,1,1), 및 C(1,1,2)는 다음과 같이 된다.
Figure pat00066
출력 모드 w의 필드가 입력모드 a로부터 순수한 스퀴즈드 진공 상태가 되므로, 모든 계수는 0이 된다. 다시 말해, 광자가 출력모드 u에 존재하지 않기 때문이 아니라, 출력 w에서 하나의 광자가 검출기에 의해 검출될 가능성이 없기 때문에, 확률은 0이 되며, 이는 스퀴즈드 진공 상태에서만 일어난다. 이와 같은 점은, 두개의 빔 스플리터의 투과율(transmittances)중 하나가 0이라면 모든 경우에 대해 성립하게 된다.
이하에서는, 출력 빔에서의 진공 상태를 제외시키기 위한 조건에 대해 상세히 설명한다.
지금까지 하나의 스퀴즈드 입력과 두개의 결맞음 상태 입력을 가진 두개의 캐스케이드 방식으로 배치된 확률 진폭의 구체적 형태를 설명하였다. 출력의 확률 진폭은 두개의 빔 스플리터의 투과율과 세개의 입력 상태의 진폭 및 상대적 위상의 함수로 계산되었다. 도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 제2 빔 스플리터 t2의 투과율(transmittance) 및
Figure pat00067
와
Figure pat00068
사이의 상대적 위상(
Figure pat00069
)의 함수로써, |C(1,1,0)|2 및 |C(1,1,1)|2을 나타내는 그래프이다. 도 2는 다음의 값들이 입력된 그래프이다.
Figure pat00070
흥미로운 것은, 일부 영역에서, 출력 υ,ω에서 동시에 광자들을 검출하면, 출력 u에서 단일 광자가 발견될 확률은 광자가 발견되지 않을 확률보다 매우 높아진다는 점이다. 이와 같은 조건 하에, 출력 υ와 ω를 위한 두개의 검출기를 동시에 클릭할 때마다, 출력 u가 논-제로 광자상태(non-zero photon state)가 된다는 점을 보장할 수 있게 된다. 이와 같은 현상은, 만약 a, b, 및 c 모드에 세개의 결맞은 입력 상태를 이용할 경우에는 일어나지 않는다. 비록, 3개의 결맞은 상태가 빔 스플리터에 의해 혼합되지만, 각각의 출력 상태는 또다른 결맞음 상태가 되어 버리게 된다. 결맞음 상태에서 n개의 광자를 발견할 확률은 포아송 분포(Poisson distribution)을 따른다. 만약, C(1,1,0)=0 을 만족하는 조건을 찾는다면, 모든 다른 계수 C(1,1,m)는 모든 양의 정수 m에 대해 0이 된다.
만약, C(1,1,1), C(1,1,2)와 같은 다른 계수가 0이 아닌 상태에서 C(1,1,0)=0을 만족하게 한다면, 그와 같은 상태는 고도의 비고전적 상태이며 진공 필드(vacuum field)를 포함하지 않게 된다. C(1,1,0)=0을 만족하게 하기 위해, 계수 C(1,1,0)의 실수부와 허수부가 0이 되는 조건을 찾아야 한다.
Figure pat00071
만약, 수식 (19)의 분모가 0이라면, 특수해(particular solution)는 다음의 각각의 경우를 이용하여 구할 수 있다.
Figure pat00072
만약, 수식 (19)의 분모가 0이 아니라면, θ p의 해(solution)는 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure pat00073
여기에서, ±는 수식 (19)에서 양의 굴절률(positive refractive index) r1에 의해 선택될 수 있다. 만약,
Figure pat00074
와
Figure pat00075
사이의 상대적 위상(
Figure pat00076
)이 주어지면, 계수 C(1,1,0)을 0으로 만들기 위한 각도 θ p를 구할 수 있다. 각도 θ p는 결맞음 상태
Figure pat00077
의 진폭 β 0 및 스퀴즈드 진공(squeezed vacuum)의 스퀴징 매개변수(squeezing parameter) s에 의존된다. 수식 (16)의 θ p의 정의에 따라, θ p는 또한 빔 스플리터의 위상 팩터(phase factor)에도 의존된다.
각도 θ p를 구한 후에, 빔 스플리터의 투과율을 세팅할 수 있다. 그리고, 수식 (19)의 굴절률 r1은
Figure pat00078
에 비례하기 때문에, 굴절률 r1을 0과 1 사이의 실수 값으로 만들 수 있다. 다시 말해, 투과율 t2를 제어할 수 있으면, 투과율 t1의 값은 C(1,1,0)이 0이 되도록 적절한 θ p를 가질 수 있도록 만들 수 있게 된다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 로그 스케일에서 진폭
Figure pat00079
와
Figure pat00080
의 함수로써 |C(1,1,1)|2의 확률을 도시한 그래프이다.
Figure pat00081
와
Figure pat00082
를 변경하면, 주어진
Figure pat00083
, 및
Figure pat00084
p 에 대해 C(1,1,0)=0을 만족하는 θ p와 t2는 찾을 수 있게 된다. 작은 값의
Figure pat00085
와
Figure pat00086
에 대해, |C(1,1,1)|2은
Figure pat00087
와
Figure pat00088
의 감소에 의해 더 작아지게 된다.
Figure pat00089
가 0에 도달하게 되면, C(1,1,0)=0이 되도록 투과율 t2는 1이 되어야 하며, 계수 C(1,1,1)은 다음과 같이 된다.
Figure pat00090
이와 같은 결과는 C(1,1,1)이 두 계수의 단순한 곱셈이 되는 것을 명확하게 확인할 수 있게 된다. 이중 하나는 υ모드 내의 단일 광자를 발견할 확률과 관련된 것이며, 이는 결맞음 입력 상태
Figure pat00091
로부터 직접 기원된다. 다른 하나의 계수는 수식 (5)의 스퀴즈드 진공(squeezed vacuum)
Figure pat00092
에서 2개의 광자를 발견할 수 있는 확률과 관련되어 있다. 이와 같은 제한 사항은, 이와 같은 결과가 잘 알려져있는 광자가 제거된 스퀴즈드 상태(photon-substracted squeezed state)와 같아지게 해준다.
만약, 두 상태
Figure pat00093
및
Figure pat00094
의 진폭이 큰 값으로 증가하게 되면, 확률 |C(1,1,1)|2은 먼저 증가하다가 다시 0으로 감소하게 된다. 이와 같은 확률 |C(1,1,1)|2의 변화는 결맞음 상태에서 단일 광자를 발견할 확률이 결맞음 상태의 진폭이 변함에 따라 변화에 따른 것이다. 기본적으로, 확률 |C(1,1,1)|2은 3개의 입력 상태
Figure pat00095
,
Figure pat00096
및
Figure pat00097
의 3개의 광자를 찾을 수 있는지에 관련된 것이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 확률 패턴의 변화를 도시한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 확률 |C(1,1,1)|2은 진폭 s 및 의 함수로써 계산된다. 확률 |C(1,1,1)|2은 로그 스케일로 도시되어 있다. 주어진
Figure pat00099
, 및
Figure pat00100
p에 대해, 모든 s 및
Figure pat00101
에 대해 C(1,1,0)=0을 만족하는 θ p 및 t2는 찾아질 수 있다. 진폭 s가 증가하면, 확률 |C(1,1,1)|2은 S가 1보다 작을때는 우선 증가하다가, 그 후에는 감소하게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 확률 |C(1,1,1)|2가 감소하는 부분을 설명하기 위해, 두가지 확률 |C(1,1,1)|2와 확률 |C(1,1,2)|2를 도시한 도면이다. 도 5에서,
Figure pat00102
,
Figure pat00103
로 세팅하였다. 두 진폭
Figure pat00104
및
Figure pat00105
가 작을 때, 확률 |C(1,1,2)|2는 확률 |C(1,1,1)|2에 비교하여 무시할 수 있을 정도로 작다. 두 진폭이 증가할 때, 확률 |C(1,1,2)|2는 증가하고 확률 |C(1,1,1)|2보다 더 커지게 된다. 이 결과, 단일 빔 스플리터 케이스(single-beam-splitter case)를 얻을 수 없게 된다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 진폭
Figure pat00106
및
Figure pat00107
에 대한 함수로써 확률비
Figure pat00108
를 로그 스케일로 도시한 그래프이다. 두 진폭
Figure pat00109
및
Figure pat00110
이 작은 경우, 출력 포트 u에 두개의 광자가 얻어질 가능성은 같은 출력 포트 u에서 단일 광자가 얻어질 확률에 비하여 무시할 수 있을 정도로 작아진다. 그렇지만, 두 진폭
Figure pat00111
및
Figure pat00112
이 증가하면, 출력 포트 u에서 두개의 광자를 얻을 확률은 단일 광자를 얻을 확률보다 매우 높아지게 된다.
Figure pat00113
,
Figure pat00114
및
Figure pat00115
의 위상차(phase differences)와 진폭을 제어하고 두개의 빔 스플리터의 투과율을 적절히 세팅하면, 진공 상태(vacuum state)가 제거된 비고전적인 빛을 조건적으로 생성해낼 수 있게 된다. 두 검출기가 동시에 측정을 하면, 광자가 발견되지 않을 확률은 0이 될 수 있게 된다.
지금까지, 출력의 확률 진폭을 두개의 빔 스플리터의 투과율과 세개의 입력 상태의 진폭 및 상대적 위상(relative phase)의 함수로 산출하였다. 진공 상태를 제외시킴으로써, 출력에서 하나의 광자와 두개의 광자를 얻을 확률을 결맞음 상태의 진폭과 스퀴즈드 진공(squeezed vacuum)의 강도(strength)의 함수로 구할 수 있게 된다. 반면, 만약, 출력 상태로부터 진공을 제거하기 위한 조건을 전달하면, 두개의 결맞음 입력
Figure pat00116
와
Figure pat00117
사이의 상대적 위상 차이 (θ)를 단순히 변화시킴으로써 다양한 광자 상태를 얻을 수 있게 된다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 다른 고정된 파라미터와 함께 위상각 θp의 함수로써 확률들 |C(1,1,0)|2, |C(1,1,1)|2, 및 |C(1,1,2)|2을 로그스케일로 도시한 그래프이다. 만약, 위상각 θp(두개의 빔 스플리터에 의해 야기되는 위상 변화는 포함된 상태임)가 0.4보다 작으면, 지배적인 출력 상태는 진공 상태이다. 만약, 위상각이 약 0.5로 증가하게 되면, 지배적인 출력은 2개의 광자 상태(two photon state)이다. 만약, 위상각이 약 0.9가 되면, 지배적인 상태는 단일 광자 상태(single photon state)가 된다. 실제로, 이와 같은 광자 생성 장치는
Figure pat00118
와 같이 더 복잡하고 일반적인 형태의 비고전적인 빛을 생성할 수도 있다. 본 광자 생성 장치의 출력 상태는 본 실시예와 같은 방법에서 더 복잡하고 제어 가능한 비고전적인 광자 상태를 만들기 위해 스퀴즈드 진공(squeezed vacuum) 대신 또다른 비고전적인 입력 상태로 이용될 수도 있다.
하나의 스퀴즈드 상태의 입력 빔과 두개의 결맞음 상태의 입력 빔을 가지는 광자 생성 장치(100)는 하나의 칩으로 구현될 수도 있다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 하나의 칩 상태로 구현 가능한 비고전적 광자 상태 생성 장치의 구조를 도시한 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 광자 생성 장치(100)는 제1 빔 스플리터(110), 제2 빔 스플리터(120), 제1 위상 변조기(phase modulator)(140), 제2 위상 변조기(130), 제1 검출기(150), 제2 검출기(160), 및 제어부(800)를 포함한다.
제1 빔 스플리터(110)는 제1 입력 빔(a)과 제2 입력 빔(b)이 입력되어 제1 출력 빔(d)과 제2 출력빔(w)이 출력된다. 제1 빔 스플리터(110)는 입력되는 빔을 반사 및 투과시켜 2개의 빔으로 분할 시키는 기능을 하며, 제1 투과율(transmittance)을 가진다.
제2 빔 스플리터(120)는 제1 출력 빔(d)과 제3 입력 빔(c)이 입력되어 제3 출력 빔(v)과 제4 출력빔(u)이 출력된다. 제2 빔 스플리터(120)도 입력되는 빔을 반사 및 투과시켜 2개의 빔으로 분할 시키는 기능을 하며, 제2 투과율(transmittance)을 가진다.
여기에서, 제2 입력 빔(b) 및 제3 입력 빔(c)은, 결맞음(coherent) 상태이고 서로 제1 각도(
Figure pat00119
)만큼 위상차가 있다. 또한, 제1 입력 빔(a)은 스퀴즈드 상태 (squeezed state)이다.
제1 위상변조기(140)는 제3 입력 빔의 위상을 변조시킨다. 이를 통해, 제2 입력 빔과 제3 입력 빔은 서로 제1 각도(
Figure pat00120
)만큼 위상차가 발생되게 된다.
제2 위상 변조기(130)는 제1 입력 빔의 위상을 변조시킨다. 이를 통해, 제1 입력 빔과 제2 입력 빔은 서로 제2 각도(
Figure pat00121
) 만큼 위상차가 발생되게 된다.
제1 검출기(150)는 제2 출력 빔(w)의 광자를 검출한다. 그리고, 제2 검출기(160)는 제3 출력 빔(v)의 광자를 검출한다.
제어부(800)는 광자 생성 장치(100)의 전반적인 동작을 제어하고, 제1 빔 스플리터(110), 제2 빔 스플리터(120), 제1 위상 변조기(phase modulator)(140), 제2 위상 변조기(130), 제1 검출기(150) 및 제2 검출기(160)의 동작을 제어하게 된다.
구체적으로, 제어부(800)는 제1 각도(
Figure pat00122
)와 제2 각도(
Figure pat00123
)를 제어한다. 이 때, 제어부(800)는 제1 빔 스플리터의 투과율 및 제2 빔 스플리터의 투과율에 기초하여 제1 각도(
Figure pat00124
)와 제2 각도(
Figure pat00125
)를 제어하게 된다. 제어부(800)는 제1 위상 변조기(140)와 제2 위상변조기(130)를 이용하여 제1 각도(
Figure pat00126
)와 제2 각도(
Figure pat00127
)를 제어할 수 있게 된다. 이 때, 제어부(800)는 상술된 수식 (21)의 조건을 만족하도록 제1 각도(
Figure pat00128
)와 제2 각도(
Figure pat00129
)를 제어하게 된다. 제1 각도(
Figure pat00130
)와 제2 각도(
Figure pat00131
)가 수식 (21)의 조건을 만족할 경우, 제4 출력 빔(u)는 고도의 비고전적 상태가 되며 진공 필드(vacuum field)를 포함하지 않게 된다. 따라서 제어부(800)는 이와 같은 조건이 만족되도록 제1 각도(
Figure pat00132
)와 제2 각도(
Figure pat00133
)를 조절하게 된다.
또한, 제어부(800)는 제1 검출기(150)에서 검출되는 광자의 정보를 이용하여 제2 각도(
Figure pat00134
)를 유지하기 위한 피드백 제어를 수행하게 된다. 그리고, 제어부(800)는 제2 검출기(160)에서 검출되는 광자의 정보를 이용하여 제1 각도(
Figure pat00135
)를 유지하기 위한 피드백 제어를 수행하게 된다.
이와 같이, 제1 각도(
Figure pat00136
)와 제2 각도(
Figure pat00137
)는 피드백으로 제어될 수 있다. 또한, 제1 빔 스플리터(110)와 제2 빔 스플리터(120)의 투과율도 정밀하게 조절 가능하다. 만약, 빔 스플리터를 이용하여 결맞은 빔(coherent beam)을 나누면, 두개의 결맞은 입력 빔인 제2 입력빔(b)
Figure pat00138
와 제3 입력 빔(c)
Figure pat00139
의 진폭비를 제어할 수 있게 된다. 또한, 두 결맞은 입력 빔(b,c)의 상대적 위상(relative phase) 차이인 제1 각도(
Figure pat00140
)는 제1 위상 변조기(140)를 이용하여 조절될 수 있다. 만약, 스퀴즈드 진공(squeezed vacuum)의 생성을 위한 진동수 배가 펌프 빔(frequency-doubled pump beam)을 생성하기 위해 사용되는 소스 레이저 빛을 결맞은 입력 빔로 하면, 스퀴즈드 진공 상태의 제1 입력 빔(a)
Figure pat00141
와 결맞은 빛인 제2 입력 빔(b)
Figure pat00142
사이의 위상 관계는 제어될 수 있게 된다.
Figure pat00143
의 값이 약한 경우, 단일 광자 출력을 위한 두개의 광자를 얻을 가능성이 줄어든다. 이와 같은 제한 내에서, 제2 출력(w)에서의 제1 검출기(150)의 광자 검출의 평균 카운팅 비(counting rate) (N ω )는 제1 입력 빔(a)와 제2 입력 빔(b) 사이의 위상 차인 제2 각도(
Figure pat00144
)와 직접적으로 관련되어 있다. 따라서, 제1 검출기(150)의 검출 정보인 평균값 N ω 는 제4 출력(u)의 단일 광자 생성 조건을 안정화하기 위한 제2 각도(
Figure pat00145
)의 피드백 제어를 위해 이용된다. 마찬가지로, 제3 출력(v)에서의 제2 검출기(160)에서 광자의 평균 개수 (N υ )를 측정함으로써, 제어부(800)는 두 결맞은 상태인 제2 입력 빔(b)과 제3 입력 빔(c) 사이의 위상차인 제1 각도(
Figure pat00146
)를 안정화할 수 있게 된다. 비록, N υ 는 단순한
Figure pat00147
의 양함수(explicit function)가 아니지만, N ω 로부터의
Figure pat00148
의 정보와 함께 위상
Figure pat00149
을 안정화할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 광자 생성 장치(100)는 두개의 빔 스플리터(110, 120)와 두개의 결맞은 입력 빔(b,c)에 대해 함수로써 명확한 확률 진폭을 알 수 있으면, 스퀴즈드 진공 상태의 입력빔(a)을 이용하여 고도의 비고전적 빛의 출력(u)을 생성할 수 있게 된다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100 : 광자 생성 장치 110 : 제1 빔 스플리터
120 : 제2 빔 스플리터 130 : 제2 위상 변조기
140 : 제1 위상 변조기 150 : 제1 검출기
160 : 제2 검출기 800 : 제어부

Claims (10)

  1. 제1 입력 빔(beam)과 제2 입력 빔이 입력되어 제1 출력 빔과 제2 출력빔이 출력되는 제1 빔 스플리터(beam splitter); 및
    상기 제1 출력 빔과 제3 입력 빔이 입력되어 제3 출력 빔과 제4 출력빔이 출력되는 제2 빔 스플리터;를 포함하는 광자 생성 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 입력 빔은 스퀴즈드 상태(squeezed state)의 빔이고,
    상기 제2 입력 빔 및 제3 입력 빔은,
    결맞음(coherent) 상태이고 서로 제1 각도만큼 위상차가 있는 것을 특징으로 하는 광자 생성 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 각도를 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광자 생성 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제3 입력 빔의 위상을 변조시키는 위상 변조기(phase modulator)를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 위상 변조기를 이용하여 상기 제1 각도를 제어하는 것을 특징으로 하는 광자 생성 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 입력 빔과 상기 제2 입력 빔이 제2 각도 만큼 위상차가 발생되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 광자 생성 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 각도(
    Figure pat00150
    )와 상기 제2 각도(
    Figure pat00151
    )가 아래의 수식을 만족하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 광자 생성 장치.
    Figure pat00152

  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 출력 빔의 광자를 검출하는 제1 검출기; 및
    상기 제3 출력 빔의 광자를 검출하는 제2 검출기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광자 생성 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 검출기에서 검출되는 광자의 정보를 이용하여 상기 제2 각도를 유지하기 위한 피드백 제어를 하는 것을 특징으로 하는 광자 생성 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제2 검출기에서 검출되는 광자의 정보를 이용하여 상기 제1 각도를 유지하기 위한 피드백 제어를 하는 것을 특징으로 하는 광자 생성 장치.
  10. 광자 생성 장치에 의한 광자 생성 방법에 있어서,
    제1 입력 빔(beam)과 제2 입력 빔이 입력되어 제1 출력 빔과 제2 출력빔이 출력되도록 하는 제1 빔 분할 단계;
    상기 제1 출력 빔과 제3 입력 빔이 입력되어 제3 출력 빔과 제4 출력빔의 출력되도록 하는 제2 빔 분할 단계;
    상기 제2 입력 빔 및 제3 입력 빔이 제1 각도만큼 위상차가 유지되도록 제어하는 단계; 및
    상기 제1 입력 빔 및 제2 입력 빔이 제2 각도만큼 위상차가 유지되도록 제어하는 단계;를 포함하는 광자 생성 방법.
KR1020140147954A 2014-10-29 2014-10-29 스퀴즈드 상태의 빔과 두개의 결맞은 상태의 빔을 이용한 진공 상태를 제거한 광자 생성 장치 및 광자 생성 방법 Active KR101653054B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140147954A KR101653054B1 (ko) 2014-10-29 2014-10-29 스퀴즈드 상태의 빔과 두개의 결맞은 상태의 빔을 이용한 진공 상태를 제거한 광자 생성 장치 및 광자 생성 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140147954A KR101653054B1 (ko) 2014-10-29 2014-10-29 스퀴즈드 상태의 빔과 두개의 결맞은 상태의 빔을 이용한 진공 상태를 제거한 광자 생성 장치 및 광자 생성 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160050240A true KR20160050240A (ko) 2016-05-11
KR101653054B1 KR101653054B1 (ko) 2016-09-01

Family

ID=56025236

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140147954A Active KR101653054B1 (ko) 2014-10-29 2014-10-29 스퀴즈드 상태의 빔과 두개의 결맞은 상태의 빔을 이용한 진공 상태를 제거한 광자 생성 장치 및 광자 생성 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101653054B1 (ko)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050123155A (ko) * 2003-04-11 2005-12-29 휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘 피 목표 상태에서의 광자 수를 검출하는 장치 및 방법
KR100815848B1 (ko) * 2007-06-04 2008-03-24 한국표준과학연구원 초고분해능 광 간섭계를 위한 양자얽힘상태 광자 생성장치
JP2010532004A (ja) * 2007-05-17 2010-09-30 株式会社東芝 光子間に干渉を生成するための光学系

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050123155A (ko) * 2003-04-11 2005-12-29 휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘 피 목표 상태에서의 광자 수를 검출하는 장치 및 방법
JP2010532004A (ja) * 2007-05-17 2010-09-30 株式会社東芝 光子間に干渉を生成するための光学系
KR100815848B1 (ko) * 2007-06-04 2008-03-24 한국표준과학연구원 초고분해능 광 간섭계를 위한 양자얽힘상태 광자 생성장치

Also Published As

Publication number Publication date
KR101653054B1 (ko) 2016-09-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6450472B2 (ja) 電気光学型光変調器のデジタル自動バイアス電圧制御方法及びその装置
US20190372589A1 (en) Real-number photonic encoding
Morrison et al. Frequency-bin entanglement from domain-engineered down-conversion
CN112232503B (zh) 计算装置、计算方法以及计算系统
CN111522530B (zh) 量子随机数发生器及密钥生成系统
WO2021104535A1 (zh) 一种光计算设备以及光信号处理方法
CN111753977A (zh) 光学神经网络卷积层芯片、卷积计算方法和电子设备
Schäfermeier et al. Deterministic phase measurements exhibiting super-sensitivity and super-resolution
Jizan et al. Phase-sensitive tomography of the joint spectral amplitude of photon pair sources
Li et al. Improved measurement of two-mode quantum correlations using a phase-sensitive amplifier
Adhikari et al. Phase estimation in an SU (1, 1) interferometer with displaced squeezed states
Zeng et al. Deterministic distribution of orbital angular momentum multiplexed continuous-variable entanglement and quantum steering
Laiho et al. Producing high fidelity single photons with optimal brightness via waveguided parametric down-conversion
KR101653054B1 (ko) 스퀴즈드 상태의 빔과 두개의 결맞은 상태의 빔을 이용한 진공 상태를 제거한 광자 생성 장치 및 광자 생성 방법
JP6697420B2 (ja) イジングモデルの計算装置
Xu et al. Generating Hermite polynomial excited squeezed states by means of conditional measurements on a beam splitter
KR101697822B1 (ko) 고특성을 갖는 중첩된 광자 상태를 조건적으로 발생시키는 광자 상태 발생 장치 및 이에 적용되는 광자 상태 발생 방법
Dong et al. Experimental realization of narrowband four-photon Greenberger–Horne–Zeilinger state in a single cold atomic ensemble
CN113569506A (zh) 一种光学芯片设计方法、系统、设备及计算机存储介质
CN115698897A (zh) 具有多体相互作用和全对全连接的超级伊辛仿真器
US20220327369A1 (en) Simultaneous measurements of gradients in optical networks
Li et al. Quantum-catalyzed squeezed vacuum state with single-photon measurement and its nonclassicality
Lotfipour et al. Experimental Verification of Heralded Single Photon Generation by Second Order Degree of Coherence
CN119164501B (zh) 一种基于强度调制的平衡零差探测装置
Zheng et al. Experimental verification of a coherence factorization law for quantum states

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 20141029

PA0201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20151211

Patent event code: PE09021S01D

PG1501 Laying open of application
E701 Decision to grant or registration of patent right
PE0701 Decision of registration

Patent event code: PE07011S01D

Comment text: Decision to Grant Registration

Patent event date: 20160624

GRNT Written decision to grant
PR0701 Registration of establishment

Comment text: Registration of Establishment

Patent event date: 20160825

Patent event code: PR07011E01D

PR1002 Payment of registration fee

Payment date: 20160825

End annual number: 3

Start annual number: 1

PG1601 Publication of registration
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190723

Year of fee payment: 4

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20190723

Start annual number: 4

End annual number: 4

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20200729

Start annual number: 5

End annual number: 5

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20210727

Start annual number: 6

End annual number: 6

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20220726

Start annual number: 7

End annual number: 7

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20240620

Start annual number: 9

End annual number: 9