자유공간 얽힘 양자 송수신 기술 개발

국방과학연구소(ADD)는 광학계 기반 양자광원을 이용해 고효율 얽힘 광자쌍을 생성하고 야외(자유공간) 250m 거리를 송수신하는데 국내 최초로 성공했다. 이번 연구 성과는 2020년 11월 시작된 "자유공간 얽힘 양자 송수신 기술('20.11~'24.10)" 과제를 통해 1년 6개월 만에 이뤄낸 결과로, 관련 내용은 SCI 국제학술지인 '커런트 어플라이드 피직스(Current Applied Physics)'에 올해 7월 게재돼 기술적 우수성을 세계적으로 인정받았다.

국내의 얽힘 광자쌍 기반 양자 기술은 기초연구를 중심으로 주로 실내에서 연구가 수행되어 왔으나, 실제 통신기술이 적용되는 야외 환경에서는 연구가 진행되지 않았다. 실내와 달리 야외에서 양자광원을 송수신하기 위해서는 태양 직사광선에 의한 대기외란 등을 보정하기 위한 기술이 필요하며, ADD에서 진행한 이번 연구에서는 660nm 레이저를 추가 배치하여 얽힘 광원으로 사용하는 810nm 레이저의 빔 왜곡을 보정했다.

송신부에서 레이저 빔은 10배율 빔 확대기를 거쳐 반사경에 도달하며, 되돌아온 빔은 20배율 갈릴레이식 망원경에 수신된다. 이후 660nm와 810nm 파장으로 분리되어 각각 레이저 위치 센서(Position Sensitive Device)로 보내진다. PSD1에 의해 측정된 변화량을 토대로 항상 PSD1의 중심부에 레이저가 위치하도록 반사경의 6축 김발을 조정하고, 두 개의 렌즈(f600, f30) 사이에 설치된 고속조준거울(Fast Steering Miror)을 통해 레이저 빔을 정확하게 정렬한다.

ADD는 이번 실험으로 125m 떨어진 양자 송수신기로 왕복 250m 거리에서의 양자 송수신을 성공적으로 실증하였으며, 개발된 기술은 추후 무선 양자통신 기술과 양자센서 기반 장거리 탐지용 라이다 기술에 활용될 것으로 전망된다. ADD는 남은 과제 수행기간 동안 카세그레인식 망원경을 수신기로 사용하는 시스템을 구축하고, 고효율 얽힘 광자쌍 생성 및 송수신 시스템의 안정화를 통해 송수신 거리 증대를 위해 노력할 예정이다.

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