원자 시스템의 양자적 특성은 고전적 기법에 비해 물리 현상 측정의 정확도를 높일 수 있습니다. 이러한 활발한 연구 분야를 양자 계측학 또는 양자 센싱이라고 합니다.. 구체적인 응용 분야로는 주파수 표준 개선을 위한 광학 원자 시계, 생의학 및 지질학 응용 분야를 위한 자력계, GPS 수신이 불가능한 환경에서의 항법을 위한 중력 센서 등이 있습니다. 이러한 기술은 유망하지만, 구현 과정에서 상당한 어려움을 겪습니다. 이러한 어려움 중 일부는 향상된 하드웨어, 향상된 시간 분해능, 감소된 지터, 그리고 능동적 피드백 메커니즘을 통해 극복할 수 있습니다.
양자 계측학 대 양자 감지
양자 계측학과 양자 센싱은 범위는 유사하지만 미묘한 차이점이 있습니다. 양자 계측학은 시간 및 주파수와 같은 측정의 정밀도 향상에 중점을 두며, 종종 얽힘이나 압축과 같은 양자 효과를 활용합니다. 이와 대조적으로 양자 센싱은 전자기장이나 중력장과 같은 약한 신호를 원자 수준의 감도로 감지하는 것을 의미합니다. 두 분야는 깊이 얽혀 있으며, 종종 유사한 기술을 사용하며, 우수한 센서는 정밀한 계측 장치이기도 합니다. 구체적인 센싱 및 계측 기술에 대해 자세히 알아보려면 계속 읽어보세요.
양자 감지를 위한 빛-원자 상호작용
양자 센서의 기본 요건은 해당 시스템이 불연속적이고 분해 가능한 에너지 준위를 가져야 하고, 양자 정보를 보존하면서 시스템 상태를 조작할 수 있어야 하며, 또한 상태를 "읽어내거나" 측정할 수 있어야 한다는 것입니다[1]. 포획된 이온 및 중성 원자 배열(때로는 "저온 원자"라고도 함)과 같은 원자 시스템은 잘 이해된 에너지 준위 구조와 긴 결맞음 시간으로 인해 이상적인 양자 센서이며, 이는 달성 가능한 정밀도를 높여줍니다.
센서는 종종 특정 물리량을 측정하도록 설계됩니다. 이러한 응용 분야 중 하나인 자기 측정법은 자기장의 세기와 기울기를 민감하게 감지하는 것을 포함합니다. 차가운 원자 구름은 제만 효과를 통해 인가된 자기장에 강하게 반응하기 때문에 이러한 응용 분야에 특히 적합합니다. 반면, 포획된 이온은 일반적으로 전기장 및 힘 측정에 더 적합합니다. 슈타르크 효과(제만 효과와 유사하지만 전기장을 사용함)를 이용하여 이온 센서는 단일 원자에 작용하는 중력을 측정할 수 있습니다[2]. 차가운 원자를 사용하는 중력 센서는 원자 간섭법을 통해 중력으로 인한 가속도의 미세한 변화를 측정할 수 있습니다. 정밀하게 타이밍이 조절된 레이저 펄스를 사용하여 차가운 원자 그룹을 서로 다른 궤적으로 이동시킬 수 있으며, 한 경로에는 중력으로 인한 추가 위상이 축적됩니다. 마지막으로, 광학 원자 시계는 특정 원자 종 내에서 매우 안정적인 "시계" 전이를 활용하여 절대 주파수 기준으로 사용할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
그림 1: 원자 큐비트 시스템. 왼쪽: 이온을 RF 트랩에 주입하여 냉각, 탐침, 그리고 다양한 레이저 주파수(파란색, 녹색, 보라색 화살표)로 판독합니다. 형광 신호는 광전자 증배관(PMT)에서 수집합니다. 오른쪽: 중성 원자는 사중극자 자기장과 반대되는 레이저 빔의 조합으로 냉각된 후 자기광학 트랩(MOT)에 가두어집니다. 탐침 신호는 판독 전 원자의 상태를 조작합니다.
일부 응용 분야에서는 둘 중 하나를 선호하지만, 이러한 원자 시스템을 조작하는 방식에는 몇 가지 유사점이 있습니다. 첫째, 이온과 중성 원자는 그림 1과 같이 RF 필드 또는 자기광학 트랩에 의해 "포획"될 수 있도록 냉각되어야 합니다. 이 과정은 원자를 진공 챔버에 주입하고 도플러 및 측파대 냉각이라는 공정을 사용하는 것으로, 순 에너지 손실과 열 잡음 감소로 이어집니다.
냉각 후, 두 유형의 원자 큐비트는 일반적으로 프로브라고 불리는 정밀하게 타이밍이 조절된 레이저 펄스를 사용하여 조작되고 판독됩니다. 원자의 종류에 따라 두 가지 에너지 준위가 고전적인 "0"과 "1" 상태로 선택됩니다. 이 전이 에너지와 공명하는 레이저를 적용하면 원자는 양자 상태 사이를 진동합니다. 그림 2에서 볼 수 있는 라비(Rabi), 램지(Ramsey), CPMG(Composite Mechanism) 시퀀스와 같은 표준화된 펄스 시퀀스는 큐비트의 동작을 정량화하는 방법을 제공합니다. 원자 큐비트의 최종 상태는 일반적으로 광자 계수 형광 측정을 사용하여 판독되며, 플럭스 속도는 큐비트의 상태에 따라 달라집니다. 이러한 형광 광자는 단일 광자 검출기(SPD) 또는 대형 어레이의 경우 CCD 카메라로 포착됩니다.
그림 2: 펄스 시퀀스 예시. 시퀀스는 항상 초기화와 판독으로 시작하고 끝납니다. 레이저 구동 펄스의 다양한 시퀀스를 통해 위상차 및 결맞음 시간과 같은 특성을 결정할 수 있습니다.
양자 감지 구현의 과제
광학 양자 감지의 가장 흔한 과제 중 하나는 레이저 안정화입니다. 레이저는 흔히 안정적인 단색 광원으로 인식되지만, 실제로는 주파수 드리프트와 잡음 확장이라는 문제를 겪습니다. 특히 주파수 드리프트는 원자 전이와의 디튜닝을 유발하여 공진 구동 및 탐침 오류를 발생시킵니다. 온도나 기계적 진동과 같은 환경 잡음 또한 불안정성을 유발할 수 있습니다. 레이저 안정성과 관련된 이러한 문제는 레이저를 고피네스 공동(high-finesse cavity)이나 주파수 빗(frequency comb)과 같은 외부 기준에 고정함으로써 해결할 수 있습니다.
펄스 시퀀스의 타이밍과 동기화에도 다른 문제가 있습니다. 레이저 펄스 시퀀스 간의 결정론적 시간을 유지하는 것이 매우 중요합니다. 지터가 발생하면 램지(Ramsey) 또는 라비(Rabi) 실험에서 코히어런스(coherence)가 저하됩니다. 여러 장치를 사용하는 경우 이러한 문제는 더욱 악화됩니다. 제어 하드웨어(레이저, 임의 파형 발생기, 검출기) 간의 비동기 트리거는 신뢰할 수 없는 결과 또는 누락된 이벤트를 초래합니다. 물리적 지연 회선이나 기준 클럭의 위상 드리프트 또한 시스템 오류를 발생시킵니다. 따라서 모든 제어 하드웨어는 지터가 낮고 결정론적이어야 하며, 적절하게 교정 및 동기화되어야 합니다.
잡음이 많은 환경에서 깨끗한 결과를 얻는 것 또한 어렵습니다. 앞서 언급했듯이, 환경 전자기장 잡음, 레이저 강도 변동, 그리고 광자 산란 잡음은 잡음층 아래의 신호를 가릴 수 있습니다. 드리프트와 잡음은 작은 주파수 또는 위상 편이를 가릴 수도 있습니다. 낮은 신호대잡음비(SNR) 또한, 특히 단일 이온과 같은 저계수율 시스템에서는 문제가 될 수 있습니다.
양자 감지 실험의 구성 요소
양자 센서 역할을 할 수 있는 다양한 물리적 시스템이 있습니다. 이러한 시스템마다 하드웨어에 대한 정확한 요구 사항은 다르지만, 양자 정보 과학 분야에서는 많은 계측기가 표준화되었습니다. FPGA에 구현된 소프트웨어 정의 계측기와 같은 하드웨어를 신중하게 선택하면, 연구자들은 완전 디지털 신호와 공유 결정론적 클럭을 사용하여 신호 안정성 및 정밀도 문제를 완화할 수 있습니다. 다음을 포함한 많은 표준화된 계측기를 이러한 방식으로 구축할 수 있습니다.
파형 발생기이러한 장치는 사인파 및 사각 펄스와 같은 반복 가능한 패턴을 합성하고 출력하며, 이러한 신호를 진폭 및 위상 변조할 수 있는 경우가 많습니다. 중요한 점은 파형 발생기의 여러 출력이 공통 클럭에 동기화되어 사용자가 결정론적으로 시간이 지정된 시퀀스를 생성할 수 있다는 것입니다. 파형 발생기를 음향 광학 또는 전기 광학 변조기(AOM/EOM)와 함께 사용하면 레이저 빔을 게이팅하고 변조할 수 있으며, 이는 양자 감지 시퀀스의 모든 단계를 구현하는 데 중요합니다.
락인 증폭기광 신호를 감지하는 두 가지 일반적인 방법 중 하나인 락인 증폭기는 잡음이 많은 배경에서 저전력 신호를 추출하는 데 자주 사용됩니다. 이 장비는 주어진 주파수에서 입력 신호를 복조하여 이 성분을 배경 잡음으로부터 분리함으로써 이를 수행합니다. 이는 간섭계에서 두 레이저 사이의 비트 음이나 파형 발생기를 통해 이전에 생성된 변조 주파수일 수 있습니다. 이상적으로 락인 증폭기와 파형 발생기는 최대 신호 충실도를 위해 동일한 시스템 클록을 공유합니다.
시간 및 진동수 분석기이러한 기기들은 다양한 이름으로 불리지만, 공통적인 기능은 전압 레벨의 상승과 하강으로 표현되는 "이벤트"에 타임스탬프를 찍고 계수하는 것입니다. 이러한 기기들은 입사 광자를 전기 펄스로 직접 변환하는 단일 광자 검출기와 함께 사용되는 경우가 많습니다. 이 펄스는 목록화 및 분석을 위해 기기로 전달됩니다. 이러한 접근 방식을 통해 연구자들은 형광을 이용하여 미세 운동과 양자 상태 정보를 측정함으로써 원자 시스템의 시간적 거동을 직접 측정할 수 있습니다.
레이저 락 박스이 용어는 레이저의 위상 및 주파수를 안정적으로 유지하는 피드백 시스템을 의미합니다. 이러한 시스템은 그림 3에서 볼 수 있듯이 일반적으로 기준 캐비티 또는 주파수 빗에 대한 레이저 주파수의 편차인 "오차" 신호를 모니터링합니다. 이 오차 신호는 하나 이상의 PID 컨트롤러를 구동하여 빠른 시간 단위와 느린 시간 단위 모두에서 레이저 주파수를 보정합니다. 레이저를 기준 주파수에 단단히 고정하면 안정성이 크게 향상되어 냉각 효율이 높아지고 큐비트 조작이 더욱 효율적입니다.
그림 3: 오실로스코프로 포착한 오차 함수의 예. 세 개의 제로 크로싱은 반송파 주파수와 변조로 인해 발생하는 상측파대 및 하측파대를 나타냅니다. 어떤 크로싱이든 동기를 위해 선택할 수 있습니다.
양자 감지의 미래 전망
양자 감지 및 계측 실험은 지속적으로 발전하여 시간 계측 및 자기장 측정의 정밀도가 향상되고 있습니다. 자기장이 계속 발전하려면 정밀하고 다재다능한 테스트 및 측정 장비도 그에 맞춰 발전해야 합니다.
Moku 소프트웨어 정의 계측이 양자 감지 실험 개발을 어떻게 촉진하는지 자세히 알아보려면 다음 사례 연구를 확인하세요.
양자 광학에서 다중 매개변수 추정 가속화. 양자 계측학 연구자들이 소프트웨어 정의 계측을 통해 정밀도의 한계에 어떻게 접근하고 있는지 알아보세요.
포획된 이온의 미세운동 측정광학 원자 시계 연구자들이 과도한 미세 운동을 감지하고 보상하여 이온 트랩 안정성을 개선하는 방법을 알아보세요.
참고자료
[1] C. L. Degen, F. Reinhard 및 P. Cappellaro, "양자 감지" 현대 물리학 리뷰, 권. 89, 아니. 3년 2017월 XNUMX일, 도이: https://doi.org/10.1103/revmodphys.89.035002.
[2] MJ Biercuk, H. Uys, JW Britton, AP VanDevender 및 JJ Bollinger, "포획된 이온을 사용한 힘 및 변위의 초고감도 감지" 자연 나노 기술, 권. 5, 아니. 9, pp. 646–650, 2010년 XNUMX월, doi: https://doi.org/10.1038/nnano.2010.165.
