[논문 리뷰] Quantum LiDAR with Frequency Modulated Continuous Wave

Ming‐Da Huang, Zhan-Feng Jiang외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 21.

Advanced Optical Sensing TechnologiesPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 머신-지저항기반 간섭계에서 양자 얽힌 주파수 변조 광자를 사용한 양자 향상형 주파수 변조 연속파(FMCW) 라이다 시스템을 제안한다. 양자 얽힘을 활용하여 기존의 고전적 FMCW 라이다에 비해 거리 정밀도에서 $√{n}$ 향상과 속도 측정 해상도에서 $n$ 배 향상을 달성한다. 이는 양자 펄스 압축이나 양자 얽힌 광자 생성 이외의 추가 비선형 과정을 요구하지 않는다.

ABSTRACT

The range and speed of a moving object can be ascertained using the sensing technique known as light detection and ranging (LiDAR). It has recently been suggested that quantum LiDAR, which uses entangled states of light, can enhance the capabilities of LiDAR. Entangled pulsed light is used in prior quantum LiDAR approaches to assess both range and velocity at the same time using the pulses' time of flight and Doppler shift. The entangled pulsed light generation and detection, which are crucial for pulsed quantum LiDAR, are often inefficient. Here, we study a quantum LiDAR that operates on a frequency-modulated continuous wave (FMCW), as opposed to pulses. We first outline the design of the quantum FMCW LiDAR using entangled frequency-modulated photons in a Mach-Zehnder interferometer, and we demonstrate how it can increase accuracy and resolution for range and velocity measurements by $\sqrt{n}$ and $n$, respectively, with $n$ entangled photons. We also demonstrate that quantum FMCW LiDAR may perform simultaneous measurements of the range and velocity without the need for quantum pulsed compression, which is necessary in pulsed quantum LiDAR. Since the generation of entangled photons is the only inefficient nonlinear optical process needed, the quantum FMCW LiDAR is better suited for practical implementations. Additionally, most measurements in the quantum FMCW LiDAR can be carried out electronically by down-converting optical signal to microwave region.

연구 동기 및 목표

• 기존 펄스 양자 라이다 아키텍처의 비효율성을 해결하는 실용적인 양자 라이다 시스템을 개발하는 것.
• 연속파 주파수 변조와 양자 얽힘을 활용해 동시에 고해상도의 거리 및 속도 측정을 가능하게 하는 것.
• 양자 얽힌 광자 생성 이외의 비효율적인 비선형 광학 과정에 대한 의존도를 줄여 칩 통합에 대한 시스템의 실현 가능성을 높이는 것.
• 마이크로파 다운컨버전을 통한 비트 신호 처리가 정밀한 전자 측정을 가능하게 하여 신호 처리의 강건성을 향상시킬 수 있음을 입증하는 것.

제안 방법

• 시스템은 참조 신호와 에코 신호를 일관적으로 혼합하기 위해 양자 얽힌 주파수 변조 광자를 포함한 머신-지저항기반 간섭계를 사용한다.
• 삼각형 주파수 변조를 사용하여 목표물의 거리와 속도를 인코딩한 스펙트럼 성분을 가진 비트 신호를 생성한다.
• 이론적 정밀도 한계를 정량화하기 위해 양자 피셔 정보와 크라머-라오 하한을 유도한다.
• 거리 및 속도의 해상도는 양자 비트 신호의 이산 푸리에 변환(DFT)에 의해 결정되며, 이는 최대우도 추정기와 대응한다.
• 시간 및 경로 자유도에서의 얽힘을 활용하여 감도와 해상도를 향상시킨다.
• 신호 처리는 마이크로파 도메인에서 다운컨버전을 통해 수행되어 도플러 시프트의 고정밀 전자 측정이 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자 FMCW 라이다가 양자 펄스 압축이 없이도 동시에 고해상도의 거리 및 속도 추정을 수행할 수 있는가?
• RQ2 주파수 변조 광자에서의 얽힘이 고전적 대안에 비해 FMCW 라이다의 정밀도와 해상도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 시스템 성능이 양자 얽힌 광자 수 $n$ 에 따라 어느 정도 스케일업되는가?
• RQ4 최소한의 비선형 광학 손실을 가진 통합 광학 플랫폼을 사용해 시스템을 실용적으로 구현할 수 있는가?

주요 결과

• 양자 FMCW 라이다 시스템은 고전적 FMCW 라이다에 비해 거리 정밀도에서 $√{n}$ 향상과 속도 해상도에서 $n$ 배 향상을 달성한다.
• $n=2$개의 얽힌 광자를 사용할 경우, 단일 광자 상태에 비해 거리 및 속도의 해상도가 각각 2배 향상된다.
• 양자 펄스 압축이 필요 없이도 동시에 거리 및 속도 측정이 가능하여, 펄스 양자 라이다의 핵심 제약 사항을 해결한다.
• 비효율적인 비선형 과정은 양자 얽힌 광자 생성 이외에는 존재하지 않아, 펄스 양자 라이다에 비해 시스템의 복잡성과 손실을 크게 줄였다.
• 비트 신호의 마이크로파 다운컨버전은 고정밀 전자 측정을 가능하게 하여 시스템의 안정성과 통합 가능성 향상에 기여한다.
• 이 아키텍처는 펄스 광자 기반의 양자 라이다 시스템을 위한 칩 통합에 매우 적합하며, 펄스 광자 기반의 양자 라이다 시스템을 위한 칩 통합에 매우 적합하며, 소형이고 에너지 효율적인 시스템을 가능하게 한다.