마이크로파 단일광자 전기광학 변환 및 텔레콤 검출

초록

초전도 트랜스몬 큐비트를 이용해 8.9 GHz 마이크로파 단일광자를 온디맨드로 생성하고, 전기광학(E‑O) 트랜스듀서를 통해 193.4 THz 텔레콤 파장으로 변환하였다. 변환 과정에서 추가된 잡음은 0.012 쿼anta 이하이며, 광학 단일광자 검출 시 신호‑대‑잡음비(SNR)는 5.1 ± 1.1을 달성했다. 마이크로파‑광학 인터페이스의 효율·노이즈 트레이드오프를 정량화하고, 향후 원격 얽힘 배포와 게이트 텔레포테이션에 활용 가능한 경로를 제시한다.

상세 분석

본 연구는 초전도 회로와 광통신 사이의 양자 정보를 연결하는 핵심 과제인 ‘비고전적 마이크로파 상태의 광학 변환’을 최초로 실현했다는 점에서 의미가 크다. 트랜스몬 큐비트를 3D 알루미늄 캐비티에 배치하고, 블루 사이드밴드(BSB) 펄스로 |g,0⟩↔|e,1⟩ 전이를 유도해 단일 마이크로파 포크 상태를 생성한다. 이때 생성된 마이크로파 광자는 캐비티 출력 웨이브가이드를 통해 방출되어 동축 케이블로 전기광학 트랜스듀서에 전달된다. 트랜스듀서는 얇은 알루미늄 전극이 증착된 LiNbO₃ 원형 위싱 가라스 모드(WHGM)와 3D 마이크로파 캐비티가 결합된 구조이며, 강한 광 펌프(1.22 mW, 200 ns)와 포크 효과를 이용해 마이크로파 포톤을 광학 안티스톡스 모드로 변환한다.

핵심 파라미터는 내부 변환 효율 η_int≈1.6×10⁻³, 외부 효율 η_ext≈2.2×10⁻⁴, 협동도 C≈4.1×10⁻⁴(저협동도)이다. 진공 결합 강도 g₀/2π=4.2 Hz는 이전 고협동도 장치보다 9배 작지만, 얇은 전극 설계와 중앙 클램핑 방식으로 손실을 최소화하고 열 사이클에 대한 내구성을 확보했다. 변환 과정에서 추가된 입력 기준 잡음은 0.012 쿼anta 이하로, 이는 양자 제한에 근접한 수준이다.

광학 측정은 170 dB 펌프 억제와 55 MHz 대역폭의 4중 파브리-페로 티 필터 체인을 통해 신호 포톤만을 추출하고, 85 % 효율의 초전도 나노와이어 SNSPD로 단일광자를 카운트한다. 실험에서 얻은 SNR은 최대 5.1±1.1이며, 이는 마이크로파 포톤이 광학 포톤으로 변환된 후에도 충분히 구분 가능한 수준이다.

마이크로파 영역에서는 양자 토모그래피를 수행해 반쪽 포톤(HP)과 단일 포톤(SP) 상태의 위그너 함수와 평균 포톤 수를 재구성하였다. HP 상태는 |⟨a⟩|=0.51, ⟨a†a⟩=0.49, 충실도 99.7 %를 보였고, SP 상태는 ⟨a†a⟩=0.95, 충실도 97.6 %를 기록했다. 이는 트랜스듀서와 연결된 마이크로파 캐비티가 온디맨드로 비고전적 상태를 생성하고, 변환 과정에서 상태를 크게 손상시키지 않음을 증명한다.

또한 ‘로드‑앤‑컨버트’ 스킴을 도입해 마이크로파 포톤이 EO 캐비티에 충분히 적재된 뒤 펌프를 동기화함으로써 열 잡음이 우세한 마이크로파 모드의 기여를 억제한다. 변환 대역폭(1.3 MHz)과 소스 라인폭(1.4 MHz)이 비슷해 효율적인 에너지 전달이 가능했으며, 실험적 데이터와 QuTiP 기반 시뮬레이션이 일치해 시스템 모델링이 정확함을 확인했다.

전반적으로 이 논문은 (1) 초전도 큐비트 기반 마이크로파 단일광자 생성, (2) 저협동도 전기광학 변환에서 양자 제한 잡음 억제, (3) 광학 단일광자 검출을 통한 고신뢰도 SNR 달성, (4) 전체 시스템의 동적 모델링 및 실험 검증이라는 네 가지 핵심 성과를 제시한다. 이는 향후 초전도 양자 프로세서와 광통신 네트워크를 연결하는 양자 인터페이스 구현에 필수적인 기술적 기반을 제공한다.