통합 양자 광전자

Integrated quantum photonics

통합 양자 광전자학, 광자 집적 회로를 사용하여 양자 기술에서 응용할 광자 양자 상태를 제어한다.[1][2] 이와 같이, 통합 양자 광전자학은 광 양자 회로의 소형화와 스케일 업에 대한 유망한 접근방식을 제공한다.[3]통합 양자 광전자학의 주요 적용 분야는 양자 기술이다. 예를 들어 양자 컴퓨팅,[4] 양자 통신, 양자 시뮬레이션,[5][6][7][8] 양자 보행[9][10], 양자 계량학 등이 그것이다.

역사

선형 광학 플랫폼은 결정론적 2쿼트 게이트를 만들기 위해 검출과 피드포워드를 이용한 선형 광학 양자 컴퓨터의 실현 가능성을 입증한 Knill, Laflamme, Milburn의 정석 작업이 있기 전까지는 양자 계산을 위한 잠재적 기술 플랫폼으로 여겨지지 않았다.[11]그 뒤를 이어 벌크 광학으로 수행된 2쿼트 관문에 대한 몇 가지 실험적인 원칙 증명 시범이 있었다.[12][13][14]통합된 광학 장치가 이 신흥 분야에 강력한 활성화 기술을 제공할 수 있다는 것이 곧 분명해졌다.[15]통합 광학 분야의 초기 실험은 가시성이 높은 비고전적 및 고전적 간섭의 데모를 통해 이 분야의 실현 가능성을 입증했다.일반적으로 자유도에서 쿼빗을 인코딩하기 위해 방향 쿠플러(파형 도파관 모드 간 빔플라이터 역할을 하는 위상 시프터)와 내포된 마하-젠더 간섭계를[16][17][18] 형성하는 위상 시프터와 같은 선형 광학 구성요소가 사용된다.즉, 하나의 광자는 두 도파관 사이에 초 위치에 있으며, 여기서 쿼빗의 0과 1 상태는 하나 또는 다른 도파관에 있는 광자의 존재와 일치한다.이러한 기본 요소들이 결합되어 얽히고설킨 관문과 재구성 가능한 양자 회로와 같은 더 복잡한 구조를 만들어 낸다.[19][20]재구성은 열 광학 또는 전기 광학 효과를 활용하는 위상 시프터를 조정함으로써 달성된다.[21][22][23][24]

통합광학이 개발의 중추적 역할을 할 또 다른 연구 분야는 양자통신이며, 예를 들어 양자키분배(QKD),[25][26] 얽힘 스와핑에 기반한 양자 릴레이, 양자 중계기 등 광범위한 실험 개발 시연으로 특징지어져 왔다.

통합된 양자 광학 실험의 탄생은 예를 들어 통합된 단일 광자 소스[27][28][29] 및 통합된 단일 광자 검출기와 같은 기술적 시연에서부터 자연에 대한 근본적인 테스트,[31][32] 양자 키 분배를 위한 새로운 방법,[33] 새로운 양자 상태의 생성에 이르기까지 다양했다.[30][34]재구성 가능한 단일 통합 장치가 재구성 가능한 범용 간섭계를 사용하여 선형 광학의 전체 필드를 구현하기에 충분하다는 것도 입증되었다.[19][35][36]

이 분야가 발전함에 따라 양자컴퓨터가 고전적인 컴퓨터보다 우월하다는 것을 증명하기 위한 장단기 경로를 제공하는 새로운 양자 알고리즘이 개발되었다.클러스터 상태 양자 계산은 이제 완전히 발달한 양자 컴퓨터를 개발하는 데 사용될 접근방식으로 일반적으로 받아들여지고 있다.[37]양자 컴퓨터의 개발은 통합 광학의 많은 다른 측면의 합성을 필요로 하지만, 보손 샘플링은[38] 쉽게 이용할 수 있는 기술을 통한 양자 정보 처리의 힘을 증명하려고 하며, 따라서 그렇게 하는 것은 매우 유망한 단기 알고리즘이다.실제로 제안 직후 보손 샘플링 알고리즘에[39][40][41][42] 대한 몇 가지 소규모 실험 시연들이 있었다.

소개

양자 광전자학은 광장(광장)의 개별 퀀텀을 일관성 있게 제어할 수 있는 체제에서 빛을 생성, 조작 및 검출하는 과학이다.[43]역사적으로 양자 광전자학은 예를 들어 EPR 역설과 벨 시험 실험과 같은 양자 현상을 탐구하는 데 기본적 역할을 해왔다.[44][45]양자 광학도 양자 컴퓨팅, 양자 키 분포, 양자 계량학 등 미래 기술 발전에 중심적 역할을 할 것으로 기대된다.광자는 낮은 정합성 특성, 광속 전송 및 조작 용이성으로 인해 특히 매력적인 양자 정보 전달체다.양자 광전자 실험은 전통적으로 대형 광학 테이블에 탑재된 개별 광학 부품(렌즈, 빔플리터 등)의 '전구 광학' 기술을 포함했으며, 복합 질량은 수백 kg이었다.

광자 집적회로 기술을 양자 광자기술에 접목한 통합 양자 광자기술은 유용한 양자기술 개발의 중요한 단계로 평가된다.[1]광학 칩은 벌크 광학보다 다음과 같은 장점을 제공한다.

  1. 소형화 - 시스템 크기가 작기 때문에 크기, 중량 및 전력 소비량이 크기 순서에 따라 감소한다.
  2. 안정성 - 첨단 석판 기법으로 제작된 소형화 부품은 본질적으로 안정적이며(일관성) 광학 정렬이 필요 없는 도파관 및 구성품을 생성한다.
  3. 실험 크기 - 많은 수의 광학 구성요소를 몇 제곱센티미터의 측정 장치에 통합할 수 있다.
  4. 제조 가능성 - 장치는 거의 비용 증가 없이 대량으로 제조할 수 있다.

잘 개발된 제조 기술에 기초하여 통합 양자 광학에서 채택된 요소들은 더 쉽게 소형화할 수 있으며, 이 접근법에 기초한 제품들은 기존의 생산 방법론을 사용하여 제조될 수 있다.

자재

광자에 대한 제어는 실리카, 실리콘, 갈륨 비소, 리튬 니오베이트 및 인듐 인산염, 질화 실리콘과 같은 다른 재료 플랫폼에서 실현될 수 있는 통합 장치로 달성할 수 있다.

실리카

실리카를 사용하는 두 가지 방법:

  1. 불꽃 하이드롤리시스.
  2. 광석학.
  3. 직접 쓰기 - 단일 재료와 레이저만 사용(컴퓨터 제어 레이저를 사용하여 유리를 손상시키고 사용자 측방향 운동을 사용하며, 도파관을 생성하기 위해 필요한 굴절 지수로 경로를 쓰기 위해 집중).이 방법은 깨끗한 방이 필요 없다는 장점이 있다.이것은 현재 실리카 도파관을 만드는 가장 보편적인 방법이며, 신속한 시제품 제작에 탁월하다.위상학적 광전자학의 여러 시연에도 사용되었다.[46]

실리카 플랫폼의 주요 과제는 낮은 굴절률 대비, 제작 후 능동적인 튜닝성 부족(다른 모든 플랫폼과 반대), 비문 공정의 직렬적 특성 때문에 재현성과 높은 수율을 가진 대량 생산의 어려움이다.최근의 연구는 비록 적당히 높은 전력을 필요로 하지만 히터를 사용하여 이러한 실리카 장치를 동적으로 재구성할 가능성을 보여주었다.[24]

실리콘

실리콘 사용의 큰 장점은 장치가 조립된 후 통합 열 마이크로히터 또는 p-i-n 조절기를 사용하여 회로를 능동적으로 튜닝할 수 있다는 것이다.실리콘의 또 다른 큰 이점은 CMOS 기술과의 호환성으로 반도체 전자 산업의 성숙한 제조 인프라를 활용할 수 있다는 것이다.이 구조물은 현대의 전자 구조와는 다르지만 쉽게 확장될 수 있다.실리콘은 광통신에서 흔히 사용되는 1550nm 파장에서 3.5에 이르는 정말 높은 굴절률을 가지고 있다.따라서 통합 광전자에서 가장 높은 성분 밀도 중 하나를 제공한다.등급(1.44)과 굴절률의 대조가 크면 유리로 둘러싸인 실리콘으로 형성된 도파관이 매우 촘촘한 굴곡을 가질 수 있어 부품의 고밀도 및 시스템 크기 감소가 가능하다.최대 직경 300mm의 대형 실리콘-온-인슐레이터(SOI) 웨이퍼를 상업적으로 확보할 수 있어 기술을 이용할 수 있고 재현할 수 있다.실리콘 광전자 플랫폼에서 최대 8개의 동시 광자, 그래프 상태(클러스터 상태), 최대 15차원 qudit까지 가장 큰 시스템(최대 수백 개의 구성 요소)이 시연되었다.[47][48]실리콘 도파관 회로의 광자 선원은 실리콘의 3차 비선형성을 활용하여 자발적인 4파 혼합에서 광자 쌍을 생성한다.실리콘은 ~1200nm 이하의 빛의 파장에 불투명하여 적외선 광자에 대한 적용성이 제한된다.열-광학 위상과 전기-광학 위상에 기반한 위상 변조기는 각각 특성적으로 느림(KHz)과 손실(수간 dB)으로 응용이 제한되고 양자 계산에 대한 피드-전방 측정을 수행할 수 있는 능력이 제한된다.

니오바테 리튬

리튬 니오베이트는 2차 광학적 비선형성을 크게 제공하여 자발적 파라메트릭 다운 변환을 통해 광자 쌍을 생성할 수 있다.또한 이를 활용하여 위상을 조작하고 빠른 속도로 모드 변환을 수행할 수 있으며, 양자 계산, 멀티플렉스(결정론적) 단일 광자 선원에 대해 피드-포워드(feed-forward) 경로를 제공할 수 있다.역사적으로 도파관은 티타늄 주입을 사용하여 정의되어 큰 도파관(cm curve radius)이 발생하지만, 최근 처리의 진전으로 박막 리튬 니오베이트 도파관은 실리콘을 능가하는 경쟁적 손실과 밀도를 제공할 수 있게 되었다.

절연체의 III-V 재료

(Al)GaAs 및 InP와 같은 절연체에 대한 그룹 III-V 재료로 만들어진 광파괴는 가장 큰 2, 3차 비선형성, 큰 모달 구속을 제공하는 큰 굴절률 대비, 통신 파장에서 무시할 수 있는 2-포톤 흡수를 제공하는 광학 밴드맵을 제공한다.III-V 재료는 온칩 레이저, 고속 전기-광학 조절기(Packels and Ker effects), 온칩 검출기에 대한 능동 이득과 같이 저손실 수동 및 고속 활성 부품이 가능하다.실리카, 실리콘, 질화규소 등 다른 소재에 비해 저파구 손실과 촘촘한 모달 구속과 동시에 광학적 비선형성이 커 마이크로로링 공진기로부터 울트라브라이트 얽힘-포톤 쌍이 생성됐다.[49]

제작

기존의 제작기술은 광석화 공정에 기반해 강력한 소형화와 대량생산이 가능하다.양자 광학 애플리케이션에서 관련 역할은 펨토초 레이저[50] 또는 UV 레이저에 의한 회로의 직접 비문에도 수행되었다.[16] 이는 새로운 디자인을 빠른 제작 반전으로 시험해야 하는 연구 목적에 특히 편리한 직렬 제작 기술이다.

그러나 레이저로 작성된 도파관은 비문 기법의 직렬 특성, 실리콘 광자 회로와는 달리 이러한 재료가 허용하는 굴절률 대비가 매우 낮기 때문에 대량생산과 소형화에 적합하지 않다.펨토초 레이저 쓰기 양자 회로는 자유도의[51][52][53][54] 양극화 조작과 혁신적인 3차원 설계를 가진 회로 구축에 특히 적합하다는 것이 입증되었다.[55][56][57][58]양자 정보는 광자의 경로, 편광, 시간 빈 또는 주파수 상태에서 온칩으로 암호화되며, 컴팩트하고 안정적인 방식으로 활성 통합 구성요소를 사용하여 조작된다.

구성 요소들

퀀텀에서는 고전적인 광학 집적회로와 동일한 기본 구성요소가 사용되지만, 실제적인 차이도 있다.단일 광자 양자 상태의 증폭은 불가능하기 때문에(노클론 정리), 양자 광자에서는 구성 요소에서 손실이 최우선이다.

단일 광자 선원은 건물 블록(파도체, 방향 쿠플러, 위상 시프터)으로 제작된다.일반적으로 광학 링 공명기와 긴 도파관 부분은 광자 쌍 생성을 위한 비선형 상호작용을 증가시키지만, 양자 점을 기반으로 한 단일 광자 소스 및 질소-바칸시 센터를 도파관 광자 회로와 통합하는 과정도 진행되고 있다.

참고 항목

참조

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