CMOS 호환 실리콘 칩으로 155 km 메트로폴리탄 광섬유에 양자 얽힘 전송 성공

초록

본 논문은 CMOS 호환 실리콘 나노포토닉 칩을 이용해 8 천~46 만 쌍/초의 높은 오프칩 얽힘 광자 쌍을 생성하고, 위상 드리프트와 색분산을 보정한 뒤 66 dB 손실(155 km) 광섬유를 통해 편광 얽힘을 전송하였다. 얽힘 충실도는 99.85 %에서 87.6 %까지 유지되며, 기존 벌크 크리스탈 기반 소스와 경쟁 가능한 성능을 보여준다.

상세 분석

이 연구는 실리콘 포토닉스가 양자 통신 분야에서 실용적인 광원으로 자리매김할 수 있음을 실증한다. 핵심은 8 mm 길이의 실리콘 웨이브가이드에 에지 커플러(손실 0.64 dB)를 적용하고, Sagnac 인터페로미터 구조에 배치함으로써 양방향으로 펌프를 주입해 H와 V 편광의 광자쌍을 동시에 생성한다. 이렇게 하면 두 경로 사이에 위상 차이가 거의 없으므로 고품질 Bell 상태 |Φ⁺⟩를 직접 얻을 수 있다.

광자쌍 생성 메커니즘은 스펀트라니어스 포톤 파라미터(Spontaneous Four‑Wave Mixing, SFWM)이며, 펌프 파워를 조절해 8 k cps에서 460 k cps까지 밝기를 조절한다. 높은 밝기는 에지 커플러와 저손실 파장분할 다중배출기(DWDM) 설계, 그리고 광섬유‑칩 결합 손실 최소화(스플라이스 손실 0.03 dB) 덕분이다. 다만 밝기가 증가하면 다중광자 발생 확률이 상승해 충실도가 약간 감소한다(예: 460 k cps에서 97.90 %).

장거리 전송에서는 두 가지 주요 장애물이 있다. 첫째는 편광 모드 디스퍼전(PMD)으로, 이는 광섬유의 비등방성에 의해 편광 상태가 변형돼 얽힘을 약화시킨다. 논문은 비대칭 전송(신호만 93 km, 아이디얼은 로컬)과 거의 대칭 전송(양쪽 모두 155 km) 두 시나리오를 실험해 PMD 영향을 정량화한다. 둘째는 색분산으로, 신호와 아이디얼 파장이 다르기 때문에 도착 시각 차이가 발생한다. 이를 해결하기 위해 아이디얼 경로에 비국소 색분산 보상 모듈(DCM)을 삽입했으며, 보상 전후의 동시계수(CAR)와 충실도가 32 % 향상된 것을 확인했다.

시스템 레벨 최적화는 온도에 의한 광섬유 길이 변동(일주기 위상 드리프트)도 고려한다. 양쪽 경로를 비대칭으로 배치하면 온도 변화에 따른 위상 차이가 상쇄되어 장시간 안정적인 얽힘 전송이 가능해진다. 최종적으로 155 km(66 dB 손실) 전송에서 0.7 cps의 실험적 카운트와 87.6 % 충실도를 달성했으며, 오프칩 밝기가 2.8 Mcps에 달한다는 추정치를 제시한다.

이 결과는 기존 PPLN, PPKTP 등 벌크 비선형 결정 기반 소스와 비교했을 때, 손실 대비 밝기·충실도 비율에서 경쟁력을 갖는다. 또한 CMOS 공정 호환성을 바탕으로 대량 생산 및 다른 포톤닉 플랫폼(AlGaAs, TFLN, SiC 등)으로 확장 가능성이 크다. 향후 개선점으로는 비국소 DCM의 삽입 손실 감소, 마이크로링 레조네이터를 이용한 좁은 스펙트럼 광자쌍 생성, 다중 DWDM 채널 활용을 통한 대역폭 확대, 그리고 시간-이진(시간-빈) 자유도를 결합한 고차원 얽힘 구현이 제시된다.