광자 기반 편집하기 (부분)

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= 개발 현황 =
광자의 2차원 자유도를 활용하는 광자 큐비트의 경우 [[큐비트]]의 인코딩이 용이하기 때문에 광자 큐비트 생성에 대한 연구는 결국 [[얽힘|얽힘상태]] 광자쌍 생성과 같은 양자 광원 연구로 귀결된다.<ref name=Kim>김용수, 조영욱, 광자 큐빗을 이용한 양자연산 기술, Electrical &amp; Electronic Materials '''33''', 16 (2020).</ref> 광원은 보통 손실될 수 있으며, 그러면 원하는 광자가 나타나지 않는다. 광자가 완벽하지 못하면 양자 계산 결과값을 잃을 수 있다. 따라서 완벽한 광자를 만드는 것은 아주 중요한 일이다.

[[File:기술백서 전체수정_92_편집.jpg|left|thumb|300px|그림 4. 준위상 정합(quasi phase matching) AlGaAs 모식도. 파란색과 분홍색 빔은 각각 775nm와 1550nm 파장을 가진 펌프이고 서로 상관관계가 있는 광자를 생성한다.]]
자발 매개하향변환은 수십 년 동안 광자 생성을 위한 방법으로 활용되어왔다. 매개하향변환을 통한 광자쌍 생성 효율은 위상 정합의 정도에 따라 결정된다. 여기에 쓰이는 2차 비선형 물질로는 BBO(Beta Barium Borate), KDP(Potassium Dideuterium Phosphate), AlGaAs 등이 있다. 이 물질들은 위상 정합이 맞지 않는 경우 광자쌍이 생성되지 않거나 생성 효율이 떨어지고 그런 경우 사용이 어렵다. 그러나 주기적 분극(periodic poling)을 통해 위상 정합을 맞춰줄 수 있다.<ref name=Ko>고영호 외 5명, 양자 정보 기술을 위한 양자 광원 연구 동향, 전자통신동향분석 '''34''', 99 (2019). doi:10.22648/ETRI.2019.J.340510</ref> 2002년 MIT에서 주기적 분극 구조인 PPLN(Periodically Poled Lithium Niobate)을 통해 준위상 정합을 얻었으며, 효과적인 광자쌍 생성을 실험적으로 보였다.<ref name=Mason>E. J. Mason, M. A. Albota, F. König and F. N. Wong, Efficient generation of tunable photon pairs at 0.8 and 1.6 µm, Optics Letters '''27''', 002115 (2002). doi:10.1364/OL.27.002115.</ref> 위상 정합을 맞추는 다른 방법으로는 Bragg Grating Reflection을 이용한 광도파로나 Quantum Well Intermixing이 있다. 이는 복굴절이 거의 없는III-V족 반도체를 위한 방법이다. 2012년 캐나다 Waterloo 대학은 준위상 정합 조건을 만족하는 브래그 반사(bragg grating reflection) 광도파로를 통해 광자쌍을 생성하였다.<ref name=Horn>R. Horn, P. Abolghasem, B. J. Bijlani, D. Kang, A. S. Helmy, and G. Weihs, Monolithic source of photon pairs, Physical Review Letters '''108''' , 153605 (2012). doi:10.1103/PhysRevLett.108.153605</ref> 그리고 2013년 캐나다 Toronto 대학에서는 GaAs/AlGaAs의 Quantum Well Intermixing을 통해 준위상 정합을 얻었고 광자쌍을 생성하였다.<ref name=Sarrafi>P. Sarrafi, E. Y. Zhu, K. Dolgaleva, B. M. Holmes, D. C. Hutchings, J. S. Aitchison, and L. Qian, Continuous-wave quasi-phase-matched waveguide correlated photon pair source on a III–V chip, Applied Physics Letters, '''103''' , 251115 (2013). doi:10.1063/1.4851095</ref>

[[File:기술백서 전체수정_93_편집.jpg|right|thumb|300px|그림 5. 단일광자 스위치 및 트랜지스터 작동 원리 모식도. 첫 번째 단계에서 게이트 광자는 스핀의 상태를 제어하고, 두 번째 단계에서 스핀은 신호 필드의 편광도를 결정한다.]]
광자쌍 생성 이외에도 광자 기반 양자컴퓨터에 대한 연구는 진행되어왔다. 2018년 미국의 Maryland 대학에서는 광 공진기와 강하게 결합된 반도체 스핀 큐비트를 이용하여 단일광자 트랜지스터를 시연했다.<ref name=Sun>S. Sun, H. Kim, Z. Luo, G. S. Solomon, and E. Waks, A single-photon switch and transistor enabled by a solid-state quantum memory, Science '''361''', 57 (2018). doi:10.1126/science.aat3581</ref> 이 소자는 대략 매초 100억 개의 광자 큐비트를 빠르게 처리할 수 있다고 기대되었다. 연구팀은 단일광자가 양자점과 상호 작용하여 장치를 통해 두 번째 광 펄스의 전송을 제어할 수 있음을 관찰했다. 첫 번째 광 펄스는 두 번째 광자가 칩에 들어갈 수 있도록 문을 열어준다. 첫 번째 펄스에 광자가 포함되어 있지 않으면 그 양자점은 후속 광자가 통과하지 못하도록 막았다. 연구팀은 양자점의 메모리가 모두 소멸되기 전에 그들의 트랜지스터가 약 30 광자를 포함하는 광 펄스를 전환할 수 있음을 입증했다.<ref>https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchTrend.do?cn=GTB2018004219</ref>

그리고 2019년 중국에서는 단일광자 편광 큐비트를 이용한 양자 메모리 실증 실험을 보고했다. 루비듐 원자를 이용하여 만든 이 양자 메모리는 효율이 85%, 신뢰도가 99% 이상이며 최적화할 경우 효율이 90.6%까지 높아질 수 있음을 보였다.<ref name=Wang>Y. Wang, J. Li, S. Zhang, K. Su, Y. Zhou, K. Liao, and S. L. Zhu, Efficient quantum memory for single-photon polarization qubits, Nature Photonics '''13''', 346 (2019).</ref>

최근에는 광자 큐비트와 다른 큐비트를 얽히게 하는 실험도 있었다. 이 연구팀은 질소 공공 전자 스핀 큐비트와 광자 시간-빈 큐비트 사이의 [[양자 얽힘]]의 실현을 보고했다. 이 실험에서 큐비트의 신뢰도는 0.77이었다.<ref name=Tchebotareva>A. Tchebotareva, S. L. Hermans, P. C. Humphreys, C. Voigt, P. J. Harmsma, L. K. Cheng, and R. Hanson, Entanglement between a diamond spin qubit and a photonic time-bin qubit at telecom wavelength, Physical Review Letters '''123''', 063601 (2019). doi:10.1103/PhysRevLett.123.063601</ref>

광자 편광 큐비트를 이용하여 [[CNOT 게이트]]를 시연한 연구 결과도 있었다. 2011년 이 연구팀은 부분 편광 빔분할기의 역할을 하는 통합 장치의 유리 칩에서 제작함으로써, Femtosecond Laser Writing이 수평 및 수직 편광 분할 비율을 제어할 수 있었기에 [[양자 게이트]]를 입증할 수 있었다고 하였다.<ref name=Crespi>A. Crespi, R. Ramponi, R. Osellame, L. Sansoni, I. Bongioanni, F. Sciarrino, and P. Mataloni, Integrated photonic quantum gates for polarization qubits, Nature Communications '''2''', 1 (2011). doi:10.1038/ncomms1570.</ref>

요약:

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