GaP소재 압전 광전자 장치 개발, 마이크로웨이브 광학 도메인 변환

과학자들은 마이크로파 신호와 광 도메인 신호 사이의 양자 상태 변환에서 두 단계 혁신을 제시했다. 미래의 초전도 양자 컴퓨터를 글로벌 양자 네트워크에 연결하는 데 기여할 수 있다.

네덜란드 델프트 공대(Delft University of Technology)가 이끄는 연구팀은 이번 주 네이처 피직스(Nature Physics)와 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 관련 논문을 발표했다.

초전도 큐비트 및 양자점을 포함한 양자 기술의 많은 주요 기술은 마이크로파 영역에서 광자를 통해 양자 정보를 공유한다. 이것은 상당한 양의 양자 제어를 허용하지만, 정보가 손실되기 전에 현실적으로 이동할 수 있는 거리는 단지 몇 센티미터에 불과했다.

반면 광 양자 통신(optical quantum communication) 분야는 이미 실제 애플리케이션을 제공 할 수 있는 거리 스케일에서 시연을 성공했다. 광통신 대역에서 정보를 전송함으로써, 수십 또는 수백 킬로미터에 걸친 광섬유 기반 양자 네트워크가 구축 될 수 있다.

델프트 공대 사이먼 그로블레처(Simon Groeblacher) 교수는 “먼 거리의 여러 양자 컴퓨팅 노드를 양자 인터넷에 연결하기 위해서는 양자 정보를 마이크로웨이브에서 광학 도메인으로 변환하는 것이 매우 중요하다”며 “이는 양자 응용 분야뿐만 아니라 고전적인 광학 신호와 전기 신호 간의 고효율 저 잡음 변환에도 매우 흥미로울 것”이라고 말했다.

그라운드 상태

신호를 기계 시스템(오실레이터)을 통해 결합하는 등 마이크로파 – 광학 변환기를 실현하기 위한 몇 가지 유망한 접근법이 채택됐다. 그러나 기존에는 상당한 열 노이즈 배경에서 작동했다.

두 수석 저자 중 한 명인 모리츠 포르셰(Moritz Forsch)는 “우리는 이 한계를 극복하고 최소한의 열 배경 잡음으로 GHz 마이크로파 신호와 광통신 대역 간의 일관된 변환을 제시했다”고 설명했다.

이를 달성하기 위해, 기계적 발진기를 양자 운동 상태로 냉각시켜야했다. 낮은 온도는 기계적 상태에 대한 양자 제어의 기초를 형성한다.

다른 수석저자 랍 스토킬(Rob Stockill)은 “공진 마이크로파 신호에 의해 구동되는 표면 음향파를 광학적 결정에 결합시키는 통합 온칩(on chips) 전기 광학 기계 장치를 사용한다. 우리는 양자 접지 상태에서 기계 모드를 초기화해 기계 공진기에 매핑 된 마이크로파 광자가 광학 영역으로 효과적으로 상향 변환되도록 유지하면서 최소한의 열 노이즈를 추가해 변환 프로세스를 수행 할 수 있게 했다”고 말했다.

압전 재료(Piezoelectric materials)

그로블레처 팀은 최근 새로운 압전 재료의 사용에 중점, 이 분야에서 한 단계 더 발전했다. 기계적 응력으로 인해 전기장이 생성되는 이러한 물질은 서로 다른 소재 간의 양자 정보 변환에 큰 이점을 가질 수 있습니다. 전자 기계 결합은 원칙적으로 이 물질에서 마이크로파와 광 주파수 영역 사이의 양자 상태의 변환을 허용한다. 따라서 유망한 접근 방식은 통합 된 압전 광 기계 장치를 구축 한 다음 마이크로파 회로에 연결하는 것이다.

그로블레처 교수는 “우리는 갈륨 인화물로 제조한 압전 광전자 장치를 설계하고 특성화했다. 여기서 2.9GHz 기계식 모드는 통신 대역의 고품질 요소 광 공진기에 결합된다. 실리콘 장치와 비교할 때 이 전자 재료의 큰 전자 밴드 갭과 그에 따른 낮은 광 흡수로 인해 구조물의 양자 거동을 보여줄 수 있게 됐다”고 말했다.

다음 단계

갈륨 인화물(GaP)로 제조된 장치는 갈륨 비소(GaAs) 또는 유사한 접근법에 일반적으로 사용되는 다른 압전 재료에서 기존 성과를 훨씬 능가한다. 다음 단계는 이 매개 변수 시스템에서 GaP 장치의 성공적인 작동을 기반으로 이 재료를 추가 조사하는 것이다.

GaP의 넓은 전자 밴드 갭 및 압전 특성을 고려할 때, 관련 연구 결과는 새로운 양자 실험 뿐만 아니라 단일 광자의 마이크로파-광학 변환에 이 장치를 사용할 수 있는 가능성이 있다.

한편, 2015년 아인트호벤 대학(Eindhoven University of Technology), FOM 재단(FOM Foundation)의 연구진은 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 게재한 논문에서 갈륨 인화물(gallium phosphide) 태양전지는 물에서 수소를 생성할 수 있음을 밝혔다. 나노와이어 형태 갈륨 인화물 소재 태양전지는 효율을 10배까지 향상한다. 갈륨 인화물은 실리콘 대비 만 배 흔한 재료라는 설명이다.

갈륨비소는 갈륨과 비소로 구성된 화합물이다. GaAs 태양전지는 태양에너지를 전기로 바꿔주는 광 변환 효율이 40%로, 실리콘 태양전지보다 두 배 이상 효율이 높다고 알려졌다.

*’Nature Physics’에 실린 논문은 델프트공대(Delft University of Technology), 비엔나대(Vienna University), 에인트호반공대(Eindhoven University of Technology), NIST 간 공동 연구다.

*’Physical Review Letters’에 실린 논문은 델프트대(Delft University of Technology), Paris-Sud/Paris-Saclay/Paris 대학 공동연구다.

*레퍼런스

Moritz Forsch, Robert Stockill, Andreas Wallucks, Igor Marinković, Claus Gärtner, Richard A. Norte, Frank van Otten, Andrea Fiore, Kartik Srinivasan 및 Simon Gröblacher의 “양자 접지 상태에서 기계 발진기를 이용한 전자파-광학 변환” , 2019년 10월 7일, Nature Physics. DOI : 10.1038 / s41567-019-0673-7

Robert Stockill, Moritz Forsch, Grégoire Beaudoin, Konstantinos Pantzas, Isabelle Sagnes, Rémy Braive 및 Simon Gröblacher의 2019 년 9 월 20 일, Physical Review Letters. arXiv