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https://www.krm.or.kr/krmts/link.html?dbGubun=SD&m201_id=10011169&local_id=10016268
미세광 측정기술을 기반으로 한 단일분자 측정기술 개발
Reports NRF is supported by Research Projects( 미세광 측정기술을 기반으로 한 단일분자 측정기술 개발 | 2006 Year 신청요강 다운로드 PDF다운로드 | 윤선현(전남대학교) ) data is submitted to the NRF Project Results
Researcher who has been awarded a research grant by Humanities and Social Studies Support Program of NRF has to submit an end product within 6 months(* depend on the form of business)
  • Researchers have entered the information directly to the NRF of Korea research support system
Project Number C00111
Year(selected) 2006 Year
the present condition of Project 종료
State of proposition 재단승인
Completion Date 2008년 06월 26일
Year type 결과보고
Year(final report) 2008년
Research Summary
  • Korean
  • 물리학, 공학, 생물학 등 많은 영역에서 빛은 중요한 실험 수단이 되어왔다. 보통의 경우 빛의 세기 변화를 측정하기 위해 빛의 세기가 상대적으로 강할 때는 photodiode 로 빛의 세기에 비례하는 photocurrent를 측정하여 빛의 세기를 셈하고 빛의 세기가 이보다 더 약해 1초에 대략 만개 이하의 광자를 측정할 경우는 대부분 photon counting을 할 수 있는 PM tube 나 APD photodiode를 이용한 단일광자 측정기를 사용한다.
    그런데 이 방법 이외에도 아주 작은 수의 광자를 측정하는 방법으로 homodyne 측정 방법이 있다. 이 기술은 심지어는 광자수가 하나도 없는 진공상태의 잠음을 측정하는데도 사용된다. 이번 연구에서는 homodyne 측정 방법을 기존에 알려진 frequency domain에서 측정하는 것이 아니고 시간에 따라 변하는 pulse 형태의 신호광의 특성을 측정할 수 있는 시간 영역에서의 측정 방법을 다루었다.
    이러한 시간영역에서의 homodyne 측정법은 pulse 당 평균광자수가 1개 이하인 상태의 신호광 변화도 측정 할 수 있어 단일분자에서 나오는 미세광 측정 뿐 아니라 다양한 방면에서 시간에 따라 변하는 극미세광 측정에 응용될 수 있다. 또 이 방법은 보통의 광자측정과는 달리 local oscillator 와 맞는 특정 모드만 측정할 수 있어 불필요한 배경잡음을 제거할 수 있는 장점이 있다.

    시간영역 homodyne detection 방법을 연구하기 위해서는 1개의 광자를 원하는 시간에 발생시켜가며 그 광자의 특성이 정확하게 측정되는가를 조사하면 homodyne 검출기의 성능을 알 수 있게 된다. 그러나 지금까지는 광자 한 개를 임의로 생성 시킬 수 없어 다른 방법을 사용한다. 구체적 방법은 수 pico 초의 빛을 비선형 매질에 입사시켜 얽힘 상태의 광자쌍을 만들고 이렇게 만들어진 광자쌍을 각기 다른 두 방향으로 보내 한곳에서 SPCM을 이용해 광자를 측정한다. 그러면 초기에 SPCM에서 측정된 광자와 얽힘 상태에 있던 다른 광자는 또 다른 곳에서 반드시 검출되어야 하는데 이 광자를 pulsed homodyne detection 방법을 이용해 검출해낸다. 이런 방법으로 광자 한 개를 정확하게 측정할 수 있는지를 검사하게 된다.

    이 실험을 위해서 광대역 homodyne 검출기 제작을 하였고 이렇게 제작된 homodyne 검출기를 이용해 광자의 특성을 측정할 수 있는 quantum tomography 기술을 구현했다. quantum tomography는 아주 약한 coherent 광을 이용한 실험과 약한 빛을 공간적으로 변조시키며 특성을 알아보는 실험을 하였다. 또 얽힘상태의 두 광자의 mode 특성을 일치시키기 위해 얽힘상태를 발생시키는 매질에 pump 광 이외에 seed 빔을 입사시켜 DFG(Difference frequency Generation) 빔을 발생시켰다. 이렇게 발생된 DFG빔과 local oscillator 빔의 모드를 일치시키는 최적화 조건을 찾아냈다. 이 모든 과정을 통해 정확하게 광자 한 개를 측정할 수 있는 homodyne detection 실험을 수행 하였다.,
    시간 영역의 Homodyne detection을 이용한 Quantum tomography 실험 이외에도 미세광의 편광을 알아낼 수 있는 실험장치를 이론적으로 제안 하였다.

    이렇게 개발된 기술은 극미세광의 광자분포나 편광특성을 측정하는 물리학, 공학, 그리고 생명공학 등의 실험에 응용될 수 있을 것이 기대된다.
  • English
  • Light is playing a great role in many experiments in physics, engineering, and biotechnology. They usually use photodiode to measure the light intensity if the intensity is not too weak. For the extremely weak light (typically less than 1 million photons per second), they usually use photo multiplier tube (PMT) or single photon counter module (SPCM) based on avalanche photo diode.
    There is another method to measure the weak light field in quantum optics, that method can even measure the fluctuation of the vacuum field (Actually there is no photon in the vacuum). In this project, I studied the homodyne detection to measure the ultra weak light field (even less than single photon). In the ordinary homodyne detection, they measure the fluctuation of the signal filed in the frequency domain. They can only measure the continuous (or quasi continuous) signal field. In other words, they can not measure the signal field in the pulse shape.
    Homodyne detection in time domain has great application to measure the time dependent ultra weak signal which is exactly same mode as the local oscillator. This mode matching can be used to select particular beam from the unwanted huge background.
    To study the homodyne detection in the time domain, we need a reliable single photon source. However, it's extremely difficult to get a single photon source till now. We used the well known spontaneous parametric down conversion (SPDC) process with a pico second pulse laser. We made entangled twin photons whose polarizations are orthogonal, and separate two photons by polarizing beam splitter. Once we measured one of the twin photons in a trigger port, it is sure that there is a single photon in the other port. With a herald photon in the trigger port, we are ready to measure the single photon in the signal port. We mixed this signal field with a local oscillator beam; it's the basic scheme of the homodyne detection method in the time domain.
    At first, we need a wide band homodyne detector to our project. We rebuild fast homodyne detector whose bandwidth is 150MHz. We tested this homodyne detector to measure the weak coherent state and spatially modulated coherent state, and perform quantum tomography to get density matrix and Wigner functions.
    To get a good mode matching between the local oscillator beam and the signal field, we had to make difference frequency generation (DFG) beam. This DFG beam guides us to find the exact mode of the entangled twin beam (the trigger beam and the signal beam). We build two programs to find the focal length and the position of two lenses in the local oscillator path to obtain the optimum mode matching between the local oscillator beam and the DFG beam. We finally obtain the single photon quantum tomography based on the homodyne detection in time domain.
    We also proposed the polarization modulated quadrant homodyne detector for single shot measurement of polarization state of a weak field.
    This study gives us a guide to measure the time dependent photon statistics or polarization state of the ultra weak field in physics, engineering, and biotechnology.

Research result report
  • Abstract
  • 빛의 세기를 측정하는 방법으로 photodiode나 photo multiplier tube를 사용하는 방법 이외에도 아주 작은 수의 광자를 측정하는 방법으로 homodyne 측정 방법이 있다. 이 연구에서는 homodyne 측정 방법을 기존에 알려진 frequency domain에서 측정하는 것이 아니고 시간에 따라 변하는 pulse 형태의 신호광의 특성을 측정할 수 있는 시간 영역에서의 측정 방법을 다루었다. 이 연구를 위해 수 pico 초의 빛을 비선형 매질에 입사시켜 얽힘 상태의 광자쌍을 만들고 이렇게 만들어진 광자쌍을 각기 다른 두 방향으로 보내 한곳에서 SPCM을 이용해 광자를 측정한다. 그러면 초기에 SPCM에서 측정된 광자와 얽힘 상태에 있던 다른 광자는 또 다른 곳에서 반드시 검출되어야 하는데 이 광자를 pulsed homodyne detection 방법을 이용해 검출해낸다.
    이 실험을 위해서 광대역 homodyne 검출기 제작을 하였고 이렇게 제작된 homodyne 검출기를 이용해 광자의 특성을 측정할 수 있는 quantum tomography 기술을 구현했다. 또 얽힘상태의 두 광자의 mode 특성을 일치시키기 위해 얽힘상태를 발생시키는 매질에 pump 광 이외에 seed 빔을 입사시켜 DFG(Difference frequency Generation) 빔을 발생시켰다. 이렇게 발생된 DFG빔과 local oscillator 빔의 모드를 일치시키는 최적화 조건을 찾아내어 광자 한 개를 측정할 수 있는 homodyne detection 실험을 수행 하였다. 또 시간 영역의 Homodyne detection을 이용한 Quantum tomography 실험 이외에도 미세광의 편광을 알아낼 수 있는 실험장치를 이론적으로 제안 하였다.
    이렇게 개발된 기술은 극미세광의 광자분포나 편광특성을 측정하는 물리학과, 공학, 생명공학 등의 실험에 응용될 수 있을 것이 기대된다.
  • Research result and Utilization method
  • <연구결과>
    단일분자에서 나오는 시간에 따라 변하는 미세광등의 측정은 시간영역에서의 homodyne 측정을 통해 가능하다.
    이 실험을 위해서 광대역 homodyne 검출기 제작을 하였고 이렇게 제작된 homodyne 검출기를 이용해 광자의 특성을 측정할 수 있는 quantum tomography 기술을 구현했다. quantum tomography는 아주 약한 coherent 광을 이용한 실험과 약한 빛을 공간적으로 변조시키며 특성을 알아보는 실험을 하였다. 또 얽힘상태의 두 광자의 mode 특성을 일치시키기 위해 얽힘상태를 발생시키는 매질에 pump 광 이외에 seed 빔을 입사시켜 DFG(Difference frequency Generation) 빔을 발생시켰다. 이렇게 발생된 DFG빔과 local oscillator 빔의 모드를 일치시키는 최적화 조건을 찾아냈다. 이 모든 과정을 통해 정확하게 광자 한 개를 측정할 수 있는 homodyne detection 실험을 수행 하였다.,
    시간 영역의 Homodyne detection을 이용한 Quantum tomography 실험 이외에도 미세광의 편광을 알아낼 수 있는 실험장치를 이론적으로 제안 하였다.
    - Pulsed Homodyne Detector 제작
    - Weak coherent state : Quantum Tomography
    - Spatially modyulated coherent state : Quamtum Tomography
    - DFG 발생 실험 (Difference Frequency Generation)
    - Mode matching beyond spatial filtering
    - Quantum tomography of the single-photon state generated by down-conversion in a periodically poled KTP crystal.
    - Polarization modulated Quadrant Homodyne Detector for Single Shot measurement of Polarization State of a Weak Field.
    <활용방안>
    시간영역에서의 homodyne 측정법은 pulse 당 평균광자수가 1개 이하인 상태의 신호광 변화도 측정 할 수 있어 단일분자에서 나오는 미세광 측정 뿐 아니라 다양한 방면에서 시간에 따라 변하는 극미세광 측정에 응용될 수 있다. 또 이 방법은 보통의 광자측정과는 달리 local oscillator 와 맞는 특정 모드만 측정할 수 있어 불필요한 배경잡음을 제거할 수 있는 장점이 있다.
    이렇게 개발된 기술은 극미세광의 광자분포나 편광특성을 측정하는 물리학, 공학 및 생명공학 등의 실험에 응용될 수 있을 것이 기대된다.
    - quantum optics measurement (Schroding cat..)
    - qbit measurement
    - quantum cryptography key measurement
    - single photon detector
    - single atom detector
    - single molecule detector
  • Index terms
  • homodyne detection, quantum tomography, spontaneous parametric down conversion, 단일광자 측정, 극 미세광 측정
  • List of digital content of this reports
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