양자 마이크로파 광자공학 기술의 응용

양자의 응용마이크로파 광자공학 기술

약한 신호 감지
양자 마이크로파 광자 기술의 가장 유망한 응용 분야 중 하나는 극히 약한 마이크로파/무선 주파수 신호 감지입니다. 단일 광자 검출을 활용함으로써 이러한 시스템은 기존 방식보다 훨씬 더 민감합니다. 예를 들어, 연구진은 전자 증폭 없이 -112.8dBm의 낮은 신호도 감지할 수 있는 양자 마이크로파 광자 시스템을 시연했습니다. 이처럼 매우 높은 감도는 심우주 통신과 같은 응용 분야에 이상적입니다.

마이크로파 광자학신호 처리
양자 마이크로파 광자공학은 위상 천이 및 필터링과 같은 고대역폭 신호 처리 기능도 구현합니다. 연구진은 분산 광학 소자를 사용하고 빛의 파장을 조정함으로써 최대 8GHz의 RF 필터링 대역폭에서 RF 위상 천이가 가능하다는 사실을 입증했습니다. 중요한 것은 이러한 특징들이 모두 3GHz 전자 장치를 사용하여 구현되었다는 점이며, 이는 성능이 기존 대역폭 한계를 뛰어넘는다는 것을 보여줍니다.

비로컬 주파수에서 시간 매핑으로
양자 얽힘으로 인해 발생하는 흥미로운 기능 중 하나는 비국소적 주파수를 시간에 매핑하는 것입니다. 이 기술은 연속파 펌핑된 단일 광자 소스의 스펙트럼을 원격지의 시간 영역에 매핑할 수 있습니다. 이 시스템은 한 빔은 스펙트럼 필터를 통과하고 다른 빔은 분산 소자를 통과하는 얽힌 광자 쌍을 사용합니다. 얽힌 광자의 주파수 의존성으로 인해 스펙트럼 필터링 모드는 시간 영역에 비국소적으로 매핑됩니다.
그림 1은 이 개념을 설명합니다.

이 방법을 사용하면 측정되는 광원을 직접 조작하지 않고도 유연한 스펙트럼 측정이 가능합니다.

압축 센싱
양자마이크로파 광학이 기술은 광대역 신호의 압축 감지를 위한 새로운 방법을 제공합니다. 연구진은 양자 감지에 내재된 무작위성을 활용하여10GHz RF스펙트럼. 시스템은 RF 신호를 코히어런트 광자의 편광 상태로 변조합니다. 단일 광자 검출은 압축 센싱을 위한 자연스러운 무작위 측정 행렬을 제공합니다. 이러한 방식으로 광대역 신호를 야니퀴스트 샘플링 속도로 복원할 수 있습니다.

양자 키 분배
양자 기술은 기존의 마이크로파 광자 응용 분야를 개선하는 것 외에도 양자 키 분배(QKD)와 같은 양자 통신 시스템을 개선할 수 있습니다. 연구진은 마이크로파 광자의 부반송파를 양자 키 분배(QKD) 시스템에 다중화하여 부반송파 다중화 양자 키 분배(SCM-QKD)를 시연했습니다. 이를 통해 여러 개의 독립적인 양자 키를 단일 파장의 빛에 전송할 수 있어 스펙트럼 효율이 향상됩니다.
그림 2는 듀얼 캐리어 SCM-QKD 시스템의 개념과 실험 결과를 보여줍니다.

양자 마이크로파 광자학 기술은 유망하지만 여전히 몇 가지 과제가 있습니다.
1. 제한된 실시간 기능: 현재 시스템은 신호를 재구성하는 데 많은 축적 시간이 필요합니다.
2. 버스트/단일 신호를 처리하는 데 어려움: 재구성의 통계적 특성으로 인해 반복되지 않는 신호에 적용하는 데 한계가 있습니다.
3. 실제 마이크로파 파형으로 변환: 재구성된 히스토그램을 사용 가능한 파형으로 변환하려면 추가 단계가 필요합니다.
4. 장치 특성: 결합 시스템에서 양자 및 마이크로파 광자 장치의 동작에 대한 추가 연구가 필요합니다.
5. 통합: 오늘날 대부분의 시스템은 부피가 큰 개별 부품을 사용합니다.

이러한 과제를 해결하고 해당 분야를 발전시키기 위해 여러 가지 유망한 연구 방향이 등장하고 있습니다.
1. 실시간 신호 처리 및 단일 감지를 위한 새로운 방법을 개발합니다.
2. 액체 미소구체 측정 등 높은 감도를 활용하는 새로운 응용 분야를 탐색합니다.
3. 크기와 복잡성을 줄이기 위해 통합된 광자와 전자의 실현을 추구합니다.
4. 집적 양자 마이크로파 광자 회로에서 향상된 빛-물질 상호작용을 연구합니다.
5. 양자 마이크로파 광자 기술을 다른 새로운 양자 기술과 결합합니다.