[김윤호 교수 연구실] 단일 광자 정지상태 광 펄스 구현

(왼쪽) 단일 광자 정지상태 광 펄스 구현 (오른쪽) 비 고전적 특성을 가지는 단일 광자 정지상태 광 펄스 
(Left) Formation of the single-photon stationary light pulse (SLP) (Right) Nonclassical nature of the single-photon SLP

포스텍(포항공대) 김윤호 교수 연구팀이 양자 정지상태 광 펄스를 루비듐 원자 구름 안에 구현하는데 성공했다.

물리학과 김윤호 교수 연구팀의 박광균과 한국과학기술연구원 (KIST)의 조영욱 박사와의 공동연구를 통해 루비듐 냉각 기체 기반의 단일 광자 정지상태 광 펄스를 구현하는데 성공했다고 밝혔다. 이 연구는 물리학 분야에서 대표적인 저명 학술지 Physical Review X최신호 (2018. 4)에 게재됐다. 본 결과는 앞으로 단일 광자를 이용한 양자비선형현상의 연구에 기반이 될 것이다.
정지상태 광 펄스란 광 펄스가 원자와 상호작용하여 원자 구름 내에 군속도가 0인 상태로 갇혀있는 것을 뜻한다. 정지상태 광 펄스를 구현하는 방법은 다음과 같다. 자기 광 포획으로 루비듐 원자 구름을 만들고, 루비듐 원자 구름에 광 펄스와 루비듐 원자의 들뜬 상태와 스핀 상태에 해당하는 레이저를 원자 구름의 양방향에서 통과시키면 광 펄스의 군속도가 원자 구름 내에서 0이 된다.
기존의 실험들은 레이저에서 생성된 결맞음 광 펄스를 이용하여 정지상태 광 펄스를 구현하였다. 하지만 김윤호 교수 연구팀은 단일 광자의 양자적 특성을 가진 광 펄스를 이용하여 정지상태 광 펄스 구현에 성공하였다. 단일 광자의 양자적 특성은 양자비선형광학을 기반으로 하는 양자 통신 및 양자 광학에 매우 중요한 요소이다.
김윤호 교수 연구팀은 처음으로 냉각 원자 구름 내에 비 고전적인 정지상태 광 펄스를 구현하였다. 원자와 광자의 상호작용을 높이기 위해 일반적으로 공진기를 사용하는데, 연구팀은 공진기 없이 원자와 광자의 상호작용을 통한 정지상태 광 펄스를 실험적으로 보였다. 연구팀의 성과는 공진기 없는 양자 비선형 광학에 새로운 방향을 제시한 것이다.
연구를 주도한 김윤호 교수는 “이번 연구 성과는 공진기가 없는 상태에서 단일광자-단일광자 제어 현상을 이용한 단일광자 양자스위칭이나 단일광자 기반의 상호위상변조의 구현에 기초가 되는 결과로써, 양자광학과 양자정보 연구에서 필수적인 양자게이트 구현을 가능하게 할 것으로 예상하고 있다” 라고 밝혔다.

We report an experimental demonstration of the nonclassical stationary light pulse (SLP) in a cold atomic ensemble. A single collective atomic excitation is created and heralded by detecting a Stokes photon in the spontaneous Raman scattering process. The heralded single atomic excitation is converted into a single stationary optical excitation or the single-photon SLP, whose effective group velocity is zero, effectively forming a trapped single-photon pulse within the cold atomic ensemble. The single-photon SLP is then released from the atomic ensemble as an anti-Stokes photon after a specified trapping time. The second-order correlation measurement between the Stokes and anti-Stokes photons reveals the nonclassical nature of the single-photon SLP. Our work paves the way toward quantum nonlinear optics without a cavity.