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[물리] 효율적인 단일 광자 검출기
2013.01.29 18:19
효율적인 단일 광자 검출기http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2013010501&service_code=03 | |
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| KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2013-01-29 | |
| 실제 응용을 위해 아직 성숙되지 않은 포토닉스(photonics) 및 양자 통신 분야에서 초고속, 고효율, 신뢰성을 가지고 있는 단일 광자 검출기(single photon detector)는 가장 개발되길 원하는 요소이다. 최근 예일대(Yale University), 보스턴대(Boston University), 모스크바 주립대(Moscow State Pedagogical University)와 공조한 독일 칼스루헤 연구소(Karlsruhe Institute of Technology)의 과학자들은 단일 광자 검출기와 나노광자 칩을 결합시킴으로써 혁신적인 연구 결과를 이끌어낼 수 있었다. 검출기는 높은 시간 해상도와 근접 단일성 검출 효율을 가지고 있으며, 낮은 오류율을 나타내었다. 한편 금번 연구 결과는 Nature Communication에 보고 되었다. 단일 광자의 신뢰할만한 검출도가 없다면 광학 데이터 통신 혹은 양자 컴퓨터에 실제로 사용되는 것은 불가능하다. 즉, 이는 기존 컴퓨터에서 가해진 전압이 0 혹은 1인지를 파악할 수 있는 아날로그-디지털 변환기가 존재하지 않는 것과 같다. 다양한 단일 광자 검출기 모델이 지난 수 년 동안 개발되었지만, 어떠한 것도 만족스러운 성능을 나타내진 못하고 있다. "집적 양자 포토닉스" 프로젝트를 통해 몇몇 새로운 아이디어와 발전을 바탕으로 새로운 원형이 개발되었다. 통신 파장 영역에서 검사된 새로운 단일 광자 검출기는 이전에 도달하지 못했었던 91%의 검출 효율성을 나타내었다. 검출기는 나노광자 웨이브가이드(waveguide)의 상부에 직접 초전도 나노와이어를 형성시켜 구현되었다. 이러한 기하 구조는 빛을 통하는 튜브에 비교될 수 있는데, 초전도 상태에 있는 와이어가 감아져 있어 어떠한 전기적 저항도 나타내지 않는다. 니오비움 니트리드로 제작된 나노미터 크기의 와이어는 웨이브가이드를 따라 진전하는 광자를 흡수한다. 광자가 흡수되면 초전도성이 손실되는데, 이는 전기 신호로 검출된다. 튜브가 길수록 검출 확률도 증가한다. 검출기의 특징은 칩에 직접 설치되었다는 것으로서 임의의 모양으로 구현되는 것도 가능하다. 단일 광자 검출기는 단독 장치인데, 이는 광섬유를 통해 칩에 연결된다. 이러한 형태의 배열이 섬유 연결에서 손실되거나 혹은 다른 방식으로 흡수된 광자에 의해 영향을 받게 된다. 이러한 손실 채널은 실리콘 광자 회로에 완전히 담지된 검출기에는 존재하지 않는다. 우수한 검출 효율뿐 아니라, 현격히 낮은 다크 카운팅 비율(dark counting rate)을 나타낸다. 다크 카운트는 광자의 검출에 오류 즉, 자발적 방출 및 알파 입자가 있을 때 발생한다. 새로운 디자인은 또한 18 피코초의 초단 시간 지터를 가지고 있다. 이번에 개발된 구조는 단일 칩에 수 백 개의 검출기를 집적하는 것이 가능하다. 이는 광학 양자 컴퓨터에 사용되기 위한 기본적 전제 조건이라 볼 수 있다. 이번 연구에서 입증된 검출기는 통신 대역의 파장에서 동작하도록 디지인되어 있었다. 동일한 검출기 구조가 가시광선 영역의 파장에도 사용될 수 있다. [그림] 91% 검출 효율, 직접 집적성, 기가헤르쯔 수준의 속도, 높은 시간 해상도, 무시할 정도의 다크 카운팅 비율을 가지고 있는 단일 광자 검출기 [원문] doi:10.1038/ncomms2307 | |
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