과학자들은 단일 광자 또는 빛을 구성하는 작은 에너지 패킷을 계산하기 위한 가장 정확한 스톱워치 중 하나를 설계했다.
새로운 연구의 주저자인 미국 콜로라도 볼더 대학(University of Colorado Boulder) Bowen Li는 이 연구가 TCSPC(time-correlated single photon counting) 기술에 초점을 맞추고 있다고 말했다. TCSPC 즉 시간 연계 단일 광자 계수기는 연구자들이 지질 지도를 만드는 데 사용하는 라이더(또는 빛 감지 및 거리 측정) 센서의 중요한 구성 요소다. 그들은 또한 형광 수명 이미징 현미경(FLIM)이라고 하는 더 작은 규모의 이미징 접근 방식에서도 나타난다. 의사는 황반변성, 알츠하이머병 및 암과 같은 일부 질병을 진단하기 위해 이 기술을 사용한다.
CU Boulder의 전기, 컴퓨터 및 에너지 공학(ECEE) 학과의 박사후 연구원인 Li와 그의 동료들은 “시간 렌즈”라고 하는 초고속 광학 도구를 사용하여 기존보다 100배 이상 정밀하게 광자의 도달을 측정할 수 있음을 보여준다.
새로운 연구의 교신 저자인 Shu-Wei Huang은 그룹의 양자 시간 렌즈가 시장에서 가장 저렴한 TCSPC 장치와도 작동하며 거의 모든 TCSPC 시스템에 추가하여 단일 광자 타이밍 분해능을 향상시킬 수 있다고 설명했다.
기존의 TCSPC 도구는 해당 시간을 특정 수준의 정밀도까지만 측정할 수 있다. 두 개의 광자가 장치에 너무 가까운 경우(예: 100조분의 1초 이하의 간격) 감지기는 이를 단일 광자로 기록한다.
이러한 작은 불일치는 믿을 수 없을 정도로 작은 분자를 자세히 살펴보려고 할 때 큰 차이를 만들 수 있다. 과학자들은 “시간 렌즈”라고 부르는 것을 사용하여 문제를 해결하기로 결정했다.
Li는 “현미경에서 우리는 광학 렌즈를 사용하여 작은 물체를 큰 이미지로 확대한다”며 “시간 렌즈는 비슷한 방식으로 작동하지만 시간에 대해서 작동한다”고 말했다.
Li와 그의 동료들은 실리카 섬유 루프로 구성된 시간 렌즈를 통해 두 광자를 모두 통과시켰다. 이 과정에서 광자 중 하나는 느려지고 다른 하나는 빨라진다. 감지기가 기록할 수 있는 간격을 생성하게된다.
시간 렌즈가 내장된 TCSPC 장치는 수백 조분의 1초 간격으로 검출기에 도달하는 광자를 구별할 수 있다.
이 연구는 CU Boulder가 이끄는 Q-SEnSE(Entangleed Science and Engineering) 센터를 통해 새로 출범한 2,500만 달러 규모의 양자 시스템의 일부다.
연구결과는 최근 Optica 저널에 발표됐다.
