[논문 리뷰] Underwater Transmission of High-dimensional Twisted Photons over 55 Meters

Yu-An Chen, Wei-Guan Shen외 8명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 04.

Orbital Angular Momentum in Optics참고 문헌 28인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 해수에서 오비탈 각운동량(OAM)을 지닌 단일 광자 휘어진 빛의 실험적 전송을 처음으로 55미터 거리에서 성공적으로 구현하였다. Sagnac 간섭계를 이용해 고차원 OAM 상태를 생성하고, ICCD 카메라로 모드 허상도를 측정하였다. 실험 결과는 위상 전하와 초위상 상태의 구조가 강하게 유지됨을 확인하였으며, 이는 장거리 OAM 기반 해양 내 양자 통신으로 향하는 중요한 단계이다.

ABSTRACT

As an emerging channel resource for modern optics, big data, internet traffic and quantum technologies, twisted photons carrying orbital angular momentum (OAM) have been extended their applicable boundary in different media, such as optical fiber and atmosphere. Due to the extreme condition of loss and pressure, underwater transmission of twisted photons has not been well investigated yet. Especially, single-photon tests were all limited at a level of a few meters, and it is in practice unclear what will happen for longer transmission distances. Here we experimentally demonstrate the transmission of single-photon twisted light over an underwater channel up to 55 meters, which reach a distance allowing potential real applications. For different order OAM states and their superposition, a good preservation of modal structure and topological charge are observed. Our results for the first time reveal the real transmission performance of twisted photons in a long-distance regime, representing a step further towards OAM-based underwater quantum communication.

연구 동기 및 목표

• 장거리 해양 내 단일 광자 비틀린 빛의 전송 가능성에 대한 탐구.
• 장거리 해양 채널을 통과할 때 OAM 상태와 그 초위상 상태가 얼마나 유지되는지 평가.
• 실제 해양 환경에서의 수중 난류와 채널 손실이 고차원 광자 상태의 허상도에 미치는 영향 평가.
• 심해 조건에서 OAM 기반 양자 통신을 시험할 수 있는 실용적인 실험 플랫폼 구축.
• 단일 광자 전파에 대한 이론적 모델에 대한 경험적 검증 제공.

제안 방법

• 532 nm 파장에서 단일 광자 OAM 상태를 생성하기 위해 내부의 비틀림 위상판을 갖춘 수정된 Sagnac 루프 간섭계 사용.
• 10 W 비콘 레이저를 통해 두 개의 공기-물 인터페이스와 55m 해양 내 채널을 통한 광학 링크 정밀 정렬.
• 약한 단일 광자 신호를 고감도로 캡처하기 위해 강화된 전하결합소자(ICCD) 카메라 사용, 높은 배경 노이즈 환경에서도 탐지 가능.
• 꽃잎 모양의 강도 패턴의 중심을 식별함으로써 OAM 초위상 상태의 방향을 인식하는 알고리즘 적용.
• 이미지 기반 위상 분석을 통해 수신된 상태를 준비된 상태 기저에 투영함으로써 허상도 계산.
• 20초 동안 비틀림 핵 위치의 반경 방향 이동을 측정하여 수중 난류로 인한 토파이-틸트 왜곡 정량화.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고손실과 난류가 심한 해양 채널에서도 55미터 거리에서 고차원 OAM 상태가 유지될 수 있는가?
• RQ2 수중 난류는 장거리 전송 중 빛의 방향 안정성과 모드 허상도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다른 OAM 차수의 초위상 상태가 해수에서 상대 위상과 구조적 완전성을 얼마나 유지하는가?
• RQ4 실제 해양 환경에서 단일 광자 OAM 전송에 대해 실제 채널 손실과 신호 대 잡음 성능은 어떠한가?
• RQ5 Sagnac 기반 설정은 해양 내 양자 통신을 위한 안정적이고 빠르며 경제적인 OAM 상태 인코딩을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 해수에서 단일 광자 OAM 상태를 55미터 거리 전송에 성공하였으며, 이는 해당 시스템에서 보고된 바 가장 긴 거리이다.
• 측정된 감쇠 계수는 0.16 m⁻¹이며, 해안 해수의 이론적 값(0.179 m⁻¹)과 매우 유사하여 현실적인 채널 모델링을 확인하였다.
• OAM 상태의 모드 구조와 위상 전하가 고차원 초위상 상태일지라도 높은 허상도로 유지됨.
• 일반적인 초위상 상태의 허상도는 실시간 측정에서 90% 이상 유지되었으며, 제3차 초위상 상태의 경우 27초 동안 변동 폭이 1.1% 미만이었다.
• 비틀림 핵의 평균 반경 방향 토파이-틸트 이동은 중심에서 0.64 mm였으며, 수중 난류로 인한 중간 수준의 빔 와이어링을 시사함.
• 전체 시스템 손실은 약 40 dB였지만, ICCD 탐지 기술을 통해 강한 배경 노이즈 속에서도 단일 광자 신호를 성공적으로 회수하였다.