광학 및 포토닉스 뉴스

스튜어트 윌스

캐나다 캘거리 대학과 미국 센트럴 플로리다 대학의 연구팀은 저손실 신호 중계를 위한 거울을 장착하고 지구 저궤도에 얼마나 가깝게 간격을 두고 있는 우주선이 궤도를 도는 "위성 렌즈" 역할을 할 수 있는지를 모델링했습니다. 전 세계에 걸친 양자 통신 네트워크를 활성화합니다. [이미지 : S. Goswami 제공]

연구원과 업계에서는 양자 기술이 제공하는 보안을 활용하는 글로벌 통신 네트워크의 전망에 점점 더 주목하고 있습니다. 그러나 한 가지 걸림돌은 장거리 기존 광섬유 네트워크에서 광 신호를 유지하는 것과 유사한 확장 가능한 "양자 중계기"가 부족하다는 것입니다.

대안으로 일부 연구 그룹에서는 저궤도(LEO)에 있는 우주선 사이에서 양자 정보가 레이저 빔을 타고 전송되는 위성 기반 양자 통신을 검토하고 있습니다. 그러나 위성 계획에도 함정이 있습니다. 회절 레이저 빔의 광자 손실과 지구 자체의 곡률로 인해 LEO 위성 간의 고효율 양자 링크의 실제 거리가 2000km 미만으로 제한될 가능성이 높습니다.

이제 캐나다 캘거리 대학의 연구원인 Sumit Goswami와 미국 센트럴 플로리다 대학의 Sayandip Dhara는 이러한 함정을 어떻게 극복할 수 있는지 보여주는 제안을 제시했습니다(Phys. Rev. Appl., doi: 10.1103/PhysRevApplied). .20.024048). 그들의 제안에는 비교적 밀접하게 간격을 두고 동기식으로 움직이는 위성 체인을 통해 섬세한 양자 신호를 전달하는 것이 포함됩니다. 이들 위성은 양자 중계기 없이도 지구 곡률을 따라 빔의 초점을 맞추고 구부리며 최대 20,000km 거리에서 광자 손실을 방지하는 "광학 테이블의 렌즈 세트처럼" 효과적으로 작동할 수 있다고 쌍은 제안합니다.

Goswami와 Dhara는 제안된 전체 위성 양자 네트워크(ASQN)의 노드를 위성 렌즈로 은유적으로 언급하지만 실제로 광학적 마법은 거울에서 발생하여 흡수 관련 광자 손실을 절대 최소로 유지합니다. 단순화된 용어로 체인의 특정 위성은 아마도 120km 떨어진 다음 위성으로 광선을 보냅니다. 다음 위성은 수신 거울을 사용하여 빔을 포착하고 초점을 다시 맞춘 다음 이를 두 개의 작은 거울에서 최종 전송 거울로 반사시켜 신호를 체인의 다음 위성으로 중계합니다.

연구자들은 그들의 제안에 따르면, 밀접하게 배치된 위성은 지구 곡률을 따라 광선의 초점을 맞추고 구부리며 회절로 인한 광자 손실을 방지하는 "광학 테이블의 렌즈 세트처럼" 효과적으로 작동한다고 말합니다.

모델링에서 Goswami와 Dhara는 각각 다음 위성과 120km 떨어진 일련의 위성을 고려했습니다. 지구 궤도에서 예상되는 빔 발산을 고려하면 이는 각 위성의 망원경 직경이 60cm임을 의미합니다. 팀의 모델링에 따르면 반사를 통해 위성에서 위성으로 전달되는 양자 신호를 사용하는 이러한 릴레이 설정은 사실상 20,000km 거리에서 회절 손실을 제거할 수 있습니다.

회절 손실을 처리하면서 Goswami와 Dhara는 위성 렌즈 시스템에서 손실의 다른 잠재적 원인을 체계적으로 조사했습니다. 한 가지 분명한 것은 거울 자체에서 일부 광자의 반사 손실인데, 두 사람은 대형 금속 거울과 소형 초고반사율 브래그 거울을 결합한 구성을 통해 이를 관리 가능하게 유지할 수 있다고 생각합니다. 손실의 또 다른 원인은 체인에 있는 위성의 추적 및 위치 오류에 있습니다. 위성이 서로 동기화되도록 하려면 이러한 문제를 최소한으로 유지해야 합니다.

최종 손실 원인은 위성과는 아무런 관련이 없습니다. 양자 통신 아키텍처에 따라 양자 정보는 지구 표면의 스테이션과 송수신되어야 합니다. 자유 공간 광 신호의 경우 대기 난류로 인해 데이터가 손실될 가능성이 있으며 이로 인해 빔 크기와 확산이 크게 증가할 수 있습니다.