ICT/융합

중국-국외 공동 연구팀, 무레이저 배경의 고효율 및 고품질 단일 광자원 달성

발행일 : 2019 / 08 / 02

최근, 중국과기대 판젠웨이(潘建偉)/루차오양(陸朝陽) 연구팀은 독일 뷔르츠부르크대학(University of Würzburg), 영국 케임브리지대학(University of Cambridge) 연구팀과 공동으로 세계 최초로 이중색 펄스 코히렌트 여기 이론을 구축하여 광(Light) 및 광자의 상호작용 등 기본 양자광학 문제 연구에 새 아이디어를 개척했다. 연구팀은 해당 방법으로 마이크로 캐비티 결합 반도체 퀀텀닷(Quantum dot) 시스템에서 무레이저(Laser free) 배경의 고효율 및 고품질 단일 광자원(Photon source)을 실험적으로 달성함으로써 클래식 컴퓨팅 능력을 초월하는 양자 컴퓨팅 구현에 새 도구를 제공했다. 해당 성과는 “Nature Physics”에 게재됐다.

전자기 펄스를 이용한 공명 구동 및 큐비트 조절은 이온 트랩, 고체상태 결함, 초전도 양자 회로 등을 포함한 다양한 물리시스템의 양자정보 기술에 광범위하게 응용된다. 하지만 단색광 기반 공명 여기 방법은 광자 품질의 향상과 함께 여기광의 백그라운드 소음을 유발한다. 해당 소음을 제거하려면 고정밀도 분극 필터링(Polarization filtering)을 이용해야 하는데 이는 50%의 효율 손실을 초래한다. 해당 손실은 여러 개 광자 조절 성공률을 감소시키기에 “보존 샘플링(Boson sampling)” 임무에서 클래식 컴퓨팅 능력을 초월하는 “양자패권(Quantum Hegemony)” 목표 달성의 걸림돌이 되고 있다.

상기 문제를 해결하기 위해 연구팀은 이중색 펄스 코히렌트 여기 방법을 설계함과 아울러 2개 위상 고정 기반 이중색 이조 펄스(Detuning pulse)를 이용해 양자 2준위계(Two-level system)를 여기시켰다. 이론과 실험을 결합한 연구 방법을 통해 이중색 이조 펄스 결합은 이조 현상을 감소킴으로써 2준위계 양자 시스템을 효과적으로 구동시킬 수 있는 동시에 주파수가 단일 광자와 중첩되지 않기에 직접 주파수 필터링을 통해 레이저를 효과적으로 제거하여 고품질의 단일 광자를 획득할 수 있음을 발견했다.

해당 새 방법 및 실험기술은 광 및 2준위계 원자의 상호작용 등 기본 양자광학 문제 연구에 새 방법을 제공했을 뿐만 아니라 “양자패권” 과학 목표 달성을 향해 튼튼한 한걸음을 내디디었다.