광자 기반 편집하기 (부분)

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= 광학 기구 =

== 빔분할기 (Beam Splitter)==

빔분할기는 고전광학적으로는 빔을 일정 비율의 출력으로 나눠서 서로 다른 경로로 보내주는 장치이다. 그러나 양자광학적으로는, 단일광자에 대해 출력을 나누는 것은 불가능하기 때문에 확률적으로 경로가 선택되게 된다. 입력 모드 $${\widehat{a}}_{0}$$, $${\widehat{a}}_{1}$$ 과 출력 모드 $${\widehat{a}}_{2}$$, $${\widehat{a}}_{3}$$ 에 대해 다음과 같이 변환 관계로 나타낼 수 있으며, 이에 따라 확률진폭이 나눠지게 된다.

\[\begin{pmatrix}
{\widehat{a}}_{2} \\
{\widehat{a}}_{3} \\
\end{pmatrix}= \begin{pmatrix}
t^{'} & r \\
r^{'} & t \\
\end{pmatrix}
\begin{pmatrix}
{\widehat{a}}_{0} \\
{\widehat{a}}_{1} \\
\end{pmatrix}\]

50:50 빔분할기의 경우 반사빔과 투과빔이 $$e^{\pm i\frac{\pi}{2}}=\pm i= cos(\frac{\pi}{2})\pm isin(\frac{\pi}{2})$$의 위상차가 발생한다. 투과빔이 $${+\frac{\pi}{2}}$$의 위상차를 가진다고 가정했을 때, 입력모드와 출력모드의 관계는 다음과 같다.

\[{\widehat{a}}_{2}= \frac{1}{\sqrt{2}}\left({\widehat{a}}_{0} + i{\widehat{a}}_{1} \right), {\widehat{a}}_{3} =\frac{1}{\sqrt{2}}\left( i{\widehat{a}}_{0} + {\widehat{a}}_{1} \right)\]

== 위상 변조기 (Phase Shifter) ==

광자의 진행을 늦춤으로서 위상을 변화시키는 장치이다. 빛의 속도를 느리게 하는 물질을 이용하거나, 단순히 액츄에이터 등을 사용해서 경로의 길이를 변화시킴으로써 위상 변화를 만들어줄 수 있다. 양자컴퓨팅에서는, [[큐비트]]를 이루는 두 모드 간의 위상 변화는 곧 [[큐비트]]의 국소 위상을 변화시키는 것이기 때문에, 광자 큐비트의 제어에서 필수 부품이라고 할 수 있다.

== 비선형 매질 (Nonlinear Medium) ==

[[File:기술백서 전체수정_67_편집.jpg|none|thumb|400px|그림 3. 자발매개하향변환의 모식도. pump를 통해 비선형 매질로 입사한 광자는 signal과 idler라고 불리는 두 출력으로 각각 하나의 광자씩 나뉘어 나오게 되며 입력 광자와 출력의 두 광자가 에너지 보존 법칙과 운동량 보존 법칙을 만족하는 조건 하에서 출력 광자가 나오게 된다.<ref>https://en.wikipedia.org/wiki/Spontaneous_parametric_down-conversion</ref>
]]

일반적으로 빈 공간상에서 광자끼리는 유의미한 크기의 상호작용을 하지 않는다. 빔분할기를 이용하여 광자 간 상호작용을 만들어 줄 수 있는데, 비선형 매질을 이용하면 좀 더 다양한 형태의 광자 간 상호작용을 만들어 줄 수 있다. 특히 광자의 파장을 변화시키거나 합치고 나누는 등 광자의 주파수, 즉 에너지를 변환하는 것이 가능하다. 대표적으로 광자 하나를 BBO(Beta Barium Borate)결정과 같은 비선형 매질에 통과시켰을 때, 자발매개하향변환 SPDC(Spontaneous Parametric Down Conversion)으로 알려진 이차 비선형 효과에 의해 높은 주파수의 단일광자가 낮은 주파수이 이광자로 변환되게 되는데 이때 에너지와 운동량 보존 법칙에 따라 생성되는 이광자간 상관관계가 발생된다 (그림 3). 이를 활용하면 편광 또는 주파수 얽힘 광자쌍 생성이 가능하여 양자 광학 실험에서의 중요한 [[양자얽힘]] 광원을 제공하고 있고 항상 동시에 쌍으로 생성된다는 특성을 이용하여, 한쪽 경로의 광자를 측정함으로써 다른쪽에 단일광자가 존재함을 알게되는 예고된 단일광자 광원(heralded single photon)으로써의 활용 또한 가능하다. 비선형 매질로 가장 많이 이용되는 것은 비선형 매질이지만, 원자 기체나 [[양자점]]처럼 광자와 상호작용할 수 있는 다양한 물질들에 대해서도 많은 연구가 이루어지고 있다.

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