양자정보통신 필수 재료인 ‘단일 광자’ 대량·맞춤 생산기술 나왔다

조용훈 KAIST 물리학과 교수 연구팀 성과

조용훈 한국과학기술원(KAIST) 물리학과 교수. /KAIST 제공

국내 연구진이 양자정보통신 상용화에 기여할 수 있는 원천기술을 개발했다. 양자정보통신은 어떠한 존재가 동시에 여러 상태를 띨 수 있는 ‘양자 중첩’, 둘 중 한쪽의 상태가 정해지는 순간 다른 한쪽도 결정되는 ‘양자 얽힘’과 같은 특성을 이용해 이론상 해킹이 불가능하도록 만든 시스템이다.

한국과학기술원(KAIST)은 조용훈 물리학과 교수 연구팀이 고성능의 단일 양자점 양자광원을 고밀도 양자점 기판 위에서 맞춤형으로 다량 만들 수 있는 원천 기술을 개발했다고 18일 밝혔다. 이 연구에는 고영호 한국전자통신연구원(ETRI) 책임연구원 연구팀, 송진동 한국과학기술연구원(KIST) 책임연구원 연구팀도 참여했다.

양자정보통신 상용화를 위해서는 양자광원을 반드시 구현해야 한다. 이를 위한 재료로 최근 양자점이 가장 큰 주목을 받고 있다. 양자점을 이용하면 빛의 최소 알갱이인 광자를 정확히 원하는 시점에 하나씩 발생하는 단일 광자 발생기를 만들 수 있기 때문이다. 양자정보통신에서는 정보를 광자에 담아 전송하기 때문에 광자를 원하는 시점에 원하는 만큼 만들어내는 기술이 핵심이다.

고밀도 양자점 시료에 집속 이온빔을 쏴서 단일 광자를 만드는 초정밀 나노 소광 기술. /한국과학기술원(KAIST) 제공

조 교수 연구팀은 최근 개발한 집속 이온빔을 고밀도 양자점 시료 위에 쏘는 방식으로 단일광자를 만드는 방식을 고안했다. 집속 이온빔을 맞은 시료는 깎여 나가지 않는 대신 빛을 내지 못하게 된다. 이런 점을 활용해 연구팀은 집속 이온빔을 도넛 형태로 시료 위에 발사해 빔이 닿지 않은 가운데 부분만 빛을 발하도록 하는 식으로 단일 광자를 만들어냈다

기존에도 단일 광자를 만들기 위해 시료 위에 빔을 쏘는 방식이 쓰였다. 다만 빔의 종류가 달라 이를 맞은 시료는 표면이 깎여나가 다시 쓸 수가 없었다. 때문에 집속 이온빔을 도넛 모양으로 발사하는 방식은 시료를 아끼면서 단일 광자를 원하는 크기대로 만들 수 있는 방법으로 평가받는다.

조 교수는 “원하는 위치에 단일 양자점을 반복적으로 구현할 수 있기 때문에 대규모 양자 광학 플랫폼의 개발에 중요한 돌파구가 될 것”이라고 말했다.

이번 연구 성과가 담긴 논문은 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’에 지난달 22일 온라인 게재됐다.

참고자료

Advanced Materials, DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202210667

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