고효율 비대칭 얽힌 광자원으로 구현한 장거리 양자키배포

초록

473 nm 레이저를 펌프로 사용해 교차형 ppKTP 결정에서 680 nm와 1550 nm의 비대칭 얽힌 광자쌍을 생성한다. 300 GHz의 좁은 스펙트럼 폭과 1.9 × 10³ pairs·s⁻¹·mW⁻¹·GHz⁻¹의 높은 스펙트럼 밝기를 보이며, Si‑SPAD와 SNSPD를 이용한 각각 18 %와 34 %의 헤러딩 효율을 달성한다. H/V와 D/A 기준에서 각각 97.3 %와 94.9 %의 가시성을 얻어 전체 얽힘 충실도가 96 % 이상임을 확인하였다.

상세 분석

본 연구는 473 nm 단일선 DPSSL을 펌프로 사용해 교차형 ppKTP(10 mm) 두 개를 배치한 type‑0 비선형 매질에서 680 nm(가시/근적외선)와 1550 nm(텔레콤 C‑밴드) 두 파장의 얽힌 광자쌍을 생성한다는 점에서 기존 532 nm‑810 nm/1550 nm 조합과 차별화된다. 680 nm는 대부분 Si‑SPAD가 최대 효율을 보이는 영역이며, 1550 nm는 광섬유 전송 손실이 최소인 파장이다. 교차‑크리스탈 구성은 두 결정의 광축을 직교시켜 H와 V 편광을 각각 다른 결정에서 생성하도록 함으로써, 위상 보상용 3.6 mm calcite 판을 삽입해 전체 위상 ϕ를 균일화한다.

초점 파라미터 ξ=0.02(펌프 waist 194 µm)와 시뮬레이션 기반의 수집 waist(신호 87 µm, 아이들러 141 µm)를 최적화해 커플링 효율을 높였으며, 결과적으로 300 GHz(≈2.4 nm)의 좁은 스펙트럼 폭을 얻었다. 이는 장거리 섬유 전송 시 색분산을 크게 억제하면서도, 1 mW당 1.9 × 10³ pairs·s⁻¹·GHz⁻¹의 높은 스펙트럼 밝기를 제공한다.

헤러딩 효율은 전체 손실(결정 내부 변환 효율, 커플링 손실, 광학 부품 삽입 손실)과 검출 효율을 곱한 값으로 정의된다. SNSPD(35 % PDE, 25 ns dead time)를 사용한 경우, 아이들러 측면에서 34 % 수준의 효율을 달성했으며, 신호 측면에서는 Si‑SPAD(≈60 % PDE)와 결합해 18 % 정도의 효율을 얻었다. InGaAs‑SPAD를 사용할 경우, 긴 dead time과 after‑pulse 효과가 누적돼 헤러딩 효율이 크게 저하된다.

양자 얽힘 품질은 H/V와 D/A 두 상호 보완적인 기준에서 가시성을 측정해 평가했으며, 각각 97.3 %와 94.9 %를 기록했다. 이는 96 % 이상의 상태 충실도로 변환되며, 실험 전반에 걸친 안정적인 위상 유지와 낮은 잡음 수준을 의미한다.

전체적으로, 이 비대칭 EPS는 비용 효율적인 Si‑SPAD와 고성능 SNSPD를 조합해 실용적인 양자키 배포 시스템을 구현할 수 있는 플랫폼을 제공한다. 특히, 680 nm‑1550 nm 조합은 기존 810 nm‑1550 nm 대비 검출 효율이 향상되고, 파장 선택에 따른 광섬유 손실 최소화가 가능하다는 장점을 가진다.