초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
1 km 이상 장거리 고스트 이미징 LIDAR 시스템 구현 및 성능 평가
- 면광원과 Array GAPD를 이용한 이미징 속도 100배 개선
- SNR 10 dB 이상 개선된 영상 획득
- 양자 암호 기술을 이용한 jamming 탐지 기술 적용
- 영상품질 평가 : SNR, 공간해상도, 대조도, 시간분해능

○ 전체 내용
1·2년 차에는 양자 고스트 이미징 시스템의 각 컴포넌트 설계·제작 기술 개발과 더불어 실험실 규모의 이미징 시스템 구현을

□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
1 km 이상 장거리 고스트 이미징 LIDAR 시스템 구현 및 성능 평가
- 면광원과 Array GAPD를 이용한 이미징 속도 100배 개선
- SNR 10 dB 이상 개선된 영상 획득
- 양자 암호 기술을 이용한 jamming 탐지 기술 적용
- 영상품질 평가 : SNR, 공간해상도, 대조도, 시간분해능

○ 전체 내용
1·2년 차에는 양자 고스트 이미징 시스템의 각 컴포넌트 설계·제작 기술 개발과 더불어 실험실 규모의 이미징 시스템 구현을 목표로 한다. 단일 GAPD 광효율 극대화, 내부 잡음을 개선하기 위한 설계 변수 최적화를 위한 TCAD 모델링 한다. GAPD 동시 신호처리 회로는 60 MHz의 특성을 갖도록 설계된다. 광학계 시스템의 광원 파트는 SPDC 현상을 이용한 532/809/1554 nm의 단일광자/해럴디드 쌍 광원을 개발한다. 이를 통해 실험실 규모(약 10 m)의 고스트 이미징 시스템 구축 및 PSNR 성능을 평가한다. 한편, 최종으로 갖추어질 고스트 이미징 시스템이 jamming 탐지가 가능하도록 내외부 채널 잡음 모델링, 채널 코딩 최적화 등의 잡음 저감 채널 코딩 기술을 개발한다.
3·4년 차에는 앞선 연차에서 구축한 실험실 규모 고스트 이미징 시스템의 잡음 저감 알고리즘 적용을 시연한다. 100배 빠른 속도의 고스트 이미징 획득을 위해 Array GAPD 설계 및 공정을 진행한다. 빠른 동시 신호 처리가 가능한 시간분해능 1 ns을 갖춘 150 MHz 대역폭의 신호처리 회로보드를 개발한다. 또한 광원 측면에서 높은 얽힘광원쌍 생성율 (100 Mc/s @1550 nm)을 갖는 면광원을 개발한다. Array GAPD, 면광원, jamming 탐지 기능을 적용한 옥외용 양자 고스트 이미징 시스템을 이용해 장거리 물체 이미지 획득 및 영상품질 을 평가한다.

□ 연구개발성과
Photon Statistical Support Vector Machine (PSSVM) 기반의 해럴디드 양자 이미징 기술을 통해 고전적인 이미징 대비 SNR이 10 dB 개선 (RFP) 영상은 획득하였으나, 추가로 제시한 어레이 SPAD 개발 및 면 얽힘광원 개발이 순조롭지 못하여 과제 기간 내에 이미징 시간 100배 단축은 미완결 과제로 남게 됨. 하지만 다음과 같은 핵심 기술들은 국내 최초로 확보하였음.
- 근적외선 영역 (800~900 nm)에 최적 광효율을 갖는 Si-GAPD 개발
- 양자 고스트 이미징 광학 시스템 설계 기술 확보 및 데이터 획득 프로그램 개발
- 준열광 고스트 이미징 광학 시스템 설계 기술 확보 및 데이터 획득 프로그램 개발
- 장거리 단일광자 이미징 시스템 설계 기술 확보 및 데이터 획득 프로그램 개발
- 효율적인 양자 얽힘 상태 검증 기법 개발 (세계 최초)
- 독자적인 잡음 저감 알고리즘 기반 고스트 이미징 재건 기술 개발
(1) 광통계학 기반 SVM 기술을 이용한 양자 고스트 이미징 재건 기술
(2) 베이지안 추론 기반의 잡음 저감 이미지 재건 기술

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
본 과제의 최종 결과물인 단일광자 검출을 위한 고효율 GAPD는 높은 성능을 바탕으로 양자이미징의 정밀성을 향상시킬 수 있다. 이는 자율주행 자동차의 핵심 센서인 LiDAR(Light Detection and Ranging) 뿐 아니라 도청이 불가한 양자정보·통신기술, 스텔스기 탐지를 위한 양자레이더 등의 군사 분야에서 핵심 기술로 응용된다. 또한, 본 기술을 적용하여 PET(Positron Emission Tomography)과 SPECT(Single Photon Emission Computed Tomography), Gamma Camera와 같은 의료영상 및 바이오 분야, 우주선 측정기와 같은 우주과학 분야 등에 폭넓은 활용이 가능하다. 또한, 최종적인 시스템인 양자얽힘을 활용한 고스트 이미징은 통신기술, 국방 등의 분야에서 통신 방해의 검증 등의 기존의 기술의 한계를 극복하는 장점이 있다. 따라서 빛의 고전성 기반의 고스트 이미징에 비해, 이미지 해상도에서는 큰 차이가 없으나, 야간 물체 식별, 스텔스기 감지, 레이다 통신 및 국방 분야에서 새로운 응용성을 제시할 것으로 기대한다.

(출처 : 요약문 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 최종보고서 ... 2
• 요 약 문 ... 4
• 목차 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
• 1-1. 양자 정보 과학의 급부상 ... 7
• 1-2. 고효율 단일광자 검출기 개발의 중요성 ... 8
• 1-3. 양자 고스트 이미징의 개념 및 필요성 ... 9
• 1-4. 광원 개발의 중요성 ... 10
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 12
• 2-1. 단일광자 검출 Si-GAPD 설계 및 공정 수행 ... 12
• 2-2. 단일광자 검출 Si-GAPD 특성평가 ... 21
• 2-3. Si-GAPD array 성능 평가 ... 39
• 2-4. Si-GAPD array용 pre-amp 신호처리 회로 및 모듈 개발 ... 40
• 2-5. SPDC(Spontaneous Parametric Down-Conversion) 얽힘광원 개발 ... 46
• 2-6. 장거리 단일광자 이미징 시스템 ... 49
• 2-7. 고스트 이미지 후처리 과정 연구 ... 52
• 2-8. 큐비트 간 얽힘의 실험적 검증에서 가장 효율적인 기법 개발 ... 56
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 60
• 1) 연구수행 결과 ... 60
• 2) 목표 달성 수준 ... 67
• 4. 목표 미달 또는 미흡한 사항에 대한 원인분석 ... 68
• 1) 3차년도 현장 실사 평가위원회 제안 내용 ... 68
• 2) 목표 미달 또는 미흡한 연구결과에 대한 원인(사유) 자체분석 내용 ... 68
• 3) 미달 또는 미흡한 결과물에 대한 보완 활동 ... 69
• 4) 연구개발 과정의 성실성 ... 70
• 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 74
• 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 75
• 1) 향후 5년간 성과활용·확산 활용방안 및 계획(활동계획) ... 75
• 2) 주요 성과활용 (기대)성과목표 ... 76
• 3) 성과활용·관리 추진체계 ... 76
• 7. 연구개발성과에 대한 후속연구 및 추가 개발 계획 ... 78
• 1. X선 양자 이미징 기술 기초 연구 ... 78
• 2. 장거리 단일광자 측정 통계 기반 고스트 이미징 기초 연구 ... 78
• 8. 연구개발비 사용실적 ... 79
• 1) 연구개발비 사용명세서 ... 79
• 2) 발생이자 사용명세서 ... 79
• 3) 반납액 명세서 ... 79
• 끝페이지 ... 80