초록 ▼

□ 연구개요
본 연구에서는 빛의 전기장을 기반으로 다수의 양자 상태를 제작하고 측정하는 기술을 개발하였고 이를 통해 대규모의 양자 얽힘 상태를 구현하였다. 빛은 전송속도, 결맞음 성질, 정밀 제어 가능성 등의 많은 장점들 때문에 다양한 양자 기술들 (양자 통신, 양자 측정, 양자 시뮬레이션)에서 사용되고 있다. 양자 기술은 빛의 입자적 성질에 기반한 광자 (photon)를 사용하여 개발되어 왔으나, 광자 제작과정과 양자 얽힘 과정이 확률적이라는 단점 때문에 규모 확장에 한계가 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 본 연구에서

□ 연구개요
본 연구에서는 빛의 전기장을 기반으로 다수의 양자 상태를 제작하고 측정하는 기술을 개발하였고 이를 통해 대규모의 양자 얽힘 상태를 구현하였다. 빛은 전송속도, 결맞음 성질, 정밀 제어 가능성 등의 많은 장점들 때문에 다양한 양자 기술들 (양자 통신, 양자 측정, 양자 시뮬레이션)에서 사용되고 있다. 양자 기술은 빛의 입자적 성질에 기반한 광자 (photon)를 사용하여 개발되어 왔으나, 광자 제작과정과 양자 얽힘 과정이 확률적이라는 단점 때문에 규모 확장에 한계가 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 본 연구에서는 빛의 파동적 성질에 기반한 양자 역학적 전기장 (electric field quadrature)을 사용하여 양자 상태를 구현하였다. 전기장 기반의 양자 정보는 양자 상태 제작과 양자 얽힘 제작을 100% 확률로 구현할 수 있는 장점이 있어 양자 상태의 크기를 늘리고 대규모 양자 얽힘 상태를 구현하는데 사용될 수 있다. 본 연구에서는 양자 압축광이라 하는 특수한 양자 상태를 다수로 만들고 이들을 선형 광학기기 (예: 빔분리기)로 양자 간섭시킴으로써 대규모 양자 얽힘 상태를 구현하였고, 대규모의 양자 상태를 효율적으로 측정하기 위하여 양자 단위에서 작동하는 다중-모드 (multi-mode) 전기장 검출기를 개발하였다. 또한 다양한 형태의 대규모 양자 얽힘 상태를 구현하고 이때 나타나는 양자얽힘의 특성을 연구하였다. 이 연구는 근본적인 물리 연구로서 중요할 뿐만 아니라 양자 기술 개발을 위한 기반 조성으로서도 큰 의미를 지닌다.

□ 연구 목표대비 연구결과
1. 다수의 양자 압축광 동시 생성 (달성도: 100 %)
< 목표 달성 내용 >
● 양자압축 광원 제작
● 양자압축 현상 국내 최초 관측
● 다수의 양자압축 광원 동시 생성: 20개
2. 다중-모드 전기장 검출 기술 개발 (달성도: 100 %)
< 목표 달성 내용 >
● 전기장 검출기 자체개발: 20 dB 신호대 잡음비 달성
● 다중 주파수 모드 검출: 20개 주파수 모드
3. 대규모 양자 얽힘 상태 생성 (달성도: 100 %)
< 목표 달성 내용 >
● 10 쌍의 양자얽힘쌍 동시 생성
● 20개 노드의 클러스터 양자얽힘 상태 구현

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
본 연구 수행을 통해 확장성이 있는 양자기술의 핵심 요소인 대규모 양자얽힘 상태를 성공적으로 제작 및 관측하였다. 광자 기반의 연구는 양자얽힘 연산이 확률적이라는 문제 때문에 규모 확장에 한계가 있지만, 본 연구는 이러한 문제를 해결하는데 필요한 전기장에 기반한 양자광원 제작 연구를 수행하였다. 과제 수행 과정에서 양자 압축광 및 양자얽힘을 100 % 확률로 구현 및 측정하는데 성공하였고, 이는 국내에서 처음으로 보고된 결과이다. 이러한 성공적인 연구 수행을 통해 연속변수 양자광학 실험에 필요한 자체 기술력 및 연구 기반을 확립하였다.
본 연구에서 구현한 대규모 양자얽힘 상태는 빛의 주파수 모드를 기반으로 이루어졌다. 주파수 모드는 10⁵ 개 이상 존재하여 높은 잠재성을 갖고 있지만, 기존연구에서는 양자 압축을 제작한 모드 수가 6개로 제한되는 한계가 있었다. 본 연구는 기존 연구의 한계를 극복하여 20개의 주파수 모드들에서 모두 양자 압축현상을 관측하는데 성공하였다. 이를 기반으로 100 % 확률로 10개의 양자 얽힘쌍을 동시에 발생시켜 확장성이 있는 양자얽힘 광원을 제작하였고, 더 나아가 측정 기반 양자컴퓨팅에 필요한 클러스터 양자얽힘 상태를 4×5 크기로 구현하는데 성공하였다. 이러한 연구 결과는 국제적 기술 수준을 넘어선 새로운 연구 기술발전에 해당한다.
양자컴퓨팅, 양자센싱, 양자통신과 같은 다양한 양자기술들을 구현하는데 필요한 핵심요소는 양자상태의 구현 및 제작이다. 따라서, 본 연구에서 제작한 대규모 양자얽힘 상태는 양자기술의 발전에 큰 기여를 하며, 특히 확장성이 있는 양자기술로 나아가기 위한 핵심 기술로써 중요한 역할을 한다. 본 연구에서 개발된 대규모 양자얽힘 상태는 추후 양자기술 개발을 위해 다방면으로 활용될 수 있을 것이다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 4
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 5
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 6
• 1) 정성적 연구개발성과 ... 6
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 13
• 3) 목표 달성 수준 ... 13
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 13
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 13
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 14
• 1) 연구과제의 활용방안 ... 14
• 2) 연구과제의 기대효과 및 전망 ... 14
• 6. 참고문헌 ... 15
• 붙임1. 세부 정량적 연구개발성과 ... 16
• 붙임2. 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 18
• 끝페이지 ... 32