SPDC(Spontaneous Parametric Down-Conversion, 자발적 파라메트릭 하향 변환) 기반 얽힘 광자(entangled photon) 생성 회로

아래는 SPDC(Spontaneous Parametric Down-Conversion, 자발적 파라메트릭 하향 변환) 기반 얽힘 광자(entangled photon) 생성 회로의 원리와 구성에 대한 기술적 설명입니다. 이 회로는 양자통신(QKD)과 얽힘 기반 양자 네트워크에서 가장 많이 사용되는 광자 생성 방식 중 하나입니다.

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✅ 1. SPDC란?

**SPDC(자발적 파라메트릭 하향 변환)**은 비선형 광학 현상의 일종으로,
**하나의 고에너지 광자(펌프 광자)**가 비선형 결정(nonlinear crystal) 내부에서 두 개의 낮은 에너지를 가진 광자(신호광자, 아이들러광자)로 나뉘는 현상입니다.

이 두 광자는:

• 에너지 보존: ωp=ωs+ωi\omega_p = \omega_s + \omega_i
• 운동량 보존: k⃗p=k⃗s+k⃗i\vec{k}_p = \vec{k}_s + \vec{k}_i
  을 만족하며, 양자 상태(예: 편광, 위상, 시간 등)에서 얽힘(entanglement) 상태로 생성됩니다.

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✅ 2. SPDC 기반 얽힘 광자 생성 원리

💡 핵심 구성 요소:

구성 요소 역할

펌프 레이저 (Pump Laser)	고에너지의 단일파장 빛을 생성 (예: 405nm)
비선형 결정 (Nonlinear Crystal, 예: BBO, KTP)	SPDC 현상이 일어나는 물질
편광 얽힘 구성 (Type-I 또는 Type-II)	두 광자가 서로 다른 편광 상태로 생성되도록 설계
광자 분리기/결합기	광자들을 특정 경로로 분리/조합
간섭계 또는 검출기	생성된 광자 쌍의 얽힘 상태 측정

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✅ 3. 회로 구성 예시 (편광 얽힘 기반, Type-II SPDC)

[ 펌프 레이저 (405nm) ]
          │
      (콜리메이터)
          │
 ┌────────────────────┐
 │ 비선형 결정 (BBO)  │  ← Type-II: 서로 다른 편광(H, V)
 └────────────────────┘
     │              │
   Signal         Idler
  광자(편광H)      광자(편광V)
     │              │
     └──▶ 편광 빔 결합기 (PBS)
                 │
          얽힘 상태 |ψ⟩ = (|H⟩|V⟩ + |V⟩|H⟩)/√2
                 │
    ┌────────────┴────────────┐
    ▼                         ▼
검출기 SPD_A             검출기 SPD_B
(Bob 측)                  (Alice 측)

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✅ 4. SPDC의 종류

유형 설명 생성되는 얽힘

Type-I	두 광자 모두 동일한 편광 (예: HH 또는 VV)	경로 또는 시간 얽힘 주로 사용
Type-II	서로 다른 편광 (예: H-V)	편광 얽힘 생성에 적합
Type-0	동일한 방향, 편광의 쌍 생성	특정 조건에서 위상 얽힘 가능

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✅ 5. 시간 얽힘(Time-bin Entanglement) 구현 시

• 펄스형 레이저 사용 (초단펄스 femtosecond 레이저)
• 광자를 early/late 슬롯에 존재하도록 설계
• 수신측에 비대칭 간섭계(Unbalanced Interferometer) 설치
• 위상차에 따라 간섭 패턴 측정 → 얽힘 상태 확인

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✅ 6. 응용 분야

분야 설명

위성 양자통신	위성에서 얽힌 광자 쌍 생성 후, 지상국으로 각각 송신
양자 중계기	얽힘을 통한 중계기 간 연결 → 장거리 통신 가능
Bell 테스트	얽힘 상태 검증 실험 (양자 비국소성 확인)
양자 랜덤 넘버 생성기	얽힘 상태의 불확정성을 활용한 진정한 난수 생성

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✅ 요약 정리

항목 설명

SPDC	하나의 광자가 두 개의 얽힌 광자로 분할되는 비선형 광학 현상
필수 요소	펌프 레이저, 비선형 결정, 편광 제어 소자, 검출기(SPD)
얽힘 형식	편광, 시간, 위상, 경로 등
대표 결정	BBO, KTP, PPKTP 등
정밀 요소	결정 위상 정합, 온도 안정성, 시간 동기화

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필요하시면 다음을 추가로 제공해드릴 수 있습니다:

• SPDC 회로의 실제 실험 세팅도(광학 breadboard 기반)
• 광자 수율 향상을 위한 설계 팁
• FPGA 기반 SPD 제어 및 간섭계 동기화 회로 설계

원하시는 방향 말씀해 주세요.