KAIST, 양자통신·양자인터넷 핵심 고품질 '단일 광자' 생성

왼쪽부터 조용훈 KAIST 물리학과 교수, 김혜민 박사과정생, 김재원 박사과정생. KAIST 제공

통신선로 상에서 이론상 해킹이 불가능한 양자암호통신, 양자컴퓨터 등 장치 사이를 연결하는 양자인터넷은 빛의 알갱이인 광자를 하나씩 제어해 발생시키는 광자 방출기 구현이 필수적이다. 국내 연구팀이 상온에서도 작동하는 단일 광자 방출기를 구현하고 상용 광섬유 인프라와 호환되는 고품질 단일 광자 방출기를 개발하는 데 성공했다.

KAIST는 조용훈 물리학과 교수팀이 양자통신 기술의 기반이 되는 단일 광자 방출기를 고도화하는 데 성공했다고 30일 밝혔다. 연구결과는 지난해 9월, 올해 7월 국제학술지 '어드밴스드 퀀텀 테크놀로지스'에 두 편의 논문으로 공개됐다.

손전등처럼 다양한 파장의 빛을 한번에 연속적으로 쏟아내는 일반적인 광원과 달리 단일 광자 방출기는 제어된 빛의 입자를 하나씩만 꺼내 방출한다. 광자 방출기는 정확히 원하는 시점에 단일 광자를 만드는 '순도'와 발생한 광자의 성질이 일관되도록 하는 '동일성'이 주요 성능 지표다. 고성능 단일 광자 방출기는 양자 중계기, 양자 네트워크 구축 등 미래 양자통신 기술의 바탕이 된다.

연구팀은 먼저 질화갈륨(GaN)이라는 재료의 결함에서 나오는 단일 광자에 주목해 상온에서 작동하는 단일 광자 방출기를 개발했다.

양자통신 기술 상용화를 위해서는 광자 방출기가 상온에서 안정적으로 동작해야 하고 광손실이 적은 대역에서 광자를 만들어야 한다. 질화갈륨은 이같은 조건을 만족하는 광자 방출기 소재로 제시됐지만 결함이 산발적으로 생기고 빛이 박막 안에 갇혀 빠져나오기 어려워 효율이 떨어진다.

연구팀은 미세 패턴을 새긴 사파이어 기판(PSS)을 만들고 그 위에 질화갈륨 박막을 성장시켜 빛이 나오는 결함의 위치를 원하는 대로 조절해 빛이 갇히지 않고 밖으로 잘 빠져나오도록 했다.

상온에서도 통신용 파장대인 1.1~1.35마이크로미터(㎛, 1㎛는 100만분의 1m)에서 단일 광자의 위치와 밀도를 제어하면서 안정화한 성과다. 결함의 무작위적 분포를 패턴 구조를 통해 제어할 수 있다는 사실을 실험적으로 입증한 것이다.

연구팀은 C-밴드(band) 대역에서 호환되는 단일 광자 방출기도 고도화했다. C-밴드는 광섬유에서 신호가 전달될 때 가장 멀리 이동하고 손실이 적은 빛 파장대로 현재 전세계 인터넷의 표준 빛이다.

매우 작은 반도체 알갱이인 양자점 기반의 단일 광자 방출기는 보통 900나노미터(㎚, 1㎚는 10억분의 1m) 대역에서 구현됐다. 기존 광섬유 기반 인프라와 호환성이 낮다는 문제가 있다.

연구팀은 양자점의 재료와 크기, 밀도를 최적화해 C-밴드인 1550㎚ 대역에서 안정적인 단일 광자를 방출하는 데 성공했다. 또 성장한 양자점을 중심으로 원형 브래그 격자(CBG) 구조를 제작해 광자가 더 빠르고 깨끗하게 방출되도록 개선하고 양자점 작동 방식도 개선해 잡음(노이즈)을 줄였다.

개발된 기술을 적용한 단일 광자 발생기의 순도는 97%, 동일성은 72%로 C-밴드 영역에서 보고된 단일 광자 중 최고 수준의 품질이다.

조 교수는 "기존 광섬유 통신망과 바로 연결될 수 있는 파장에서 사용될 수 있는 확정적 양자 광원을 세계 최고 수준으로 얻은 결과"라며 "양자 광원의 동일성을 95% 이상으로 더욱 고도화해 양자컴퓨터·양자통신·초정밀 센싱 등 차세대 양자기술의 성능을 결정짓는 핵심 기반 기술인 다중 광자 얽힘 기술을 개발할 계획"이라고 밝혔다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1002/qute.202400177
- doi.org/10.1002/qute.202500069

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]