울산과학기술원(UNIST)이 전압을 가해 사용할 수 있는 단일양자광원을 개발했다. 광원을 켜고 끄기 위해 전압을 가하면 광자 에너지가 변하는 부작용을 해결해 단일양자광원을 이용한 칩 기반 양자컴퓨팅과 양자암호통신 기술 개발에 기여할 전망이다.
남궁선·김제형 UNIST 물리학과 교수팀(이하 남 교수님)은 스타크 영향(Stark Effect)을 억제한 2차원 반도체 물질 기반 고순도 단일양자광원을 개발했다고 23일 밝혔다.
형광등이 1초에 약 10¹⁸개 이상의 빛 입자(광자)를 쏟아내는 것과 달리, 단일양자광원은 아주 짧은 순간(나노초)에 단 하나의 광자만을 방출한다. 이 단일 광자를 비트(bit) 같은 정보 최소 단위로 활용하면 양자컴퓨팅이나 양자암호통신에 적용할 수 있다.
스타크 영향은 광원을 켜고 끄기 위해 전압을 가했을 때 방출되는 광자 에너지가 변하는 현상이다. 양자컴퓨팅이나 양자암호통신은 광자의 양자간섭 현상으로 정보를 처리하는데, 광자 에너지가 달라지면 같은 광자를 다른 광자로 파악해 양자간섭과 같은 양자현상이 제대로 일어나지 않게 된다. 특히 여러 광원을 집적해 사용하는 칩 환경에서는 스타크 영향이 더 큰 문제가 된다.
남 교수팀은 단일양자광원 내부에 미세한 공기층을 만들어 이 같은 스타크 영향을 억제했다.
뾰족한 실리콘 나노 피라미드 위에 2차원 반도체 물질인 텅스텐 디셀레나이드(WSe₂)를 올리면서 실리콘과 반도체 물질 사이에 공기층을 만들었다. 이 공기층은 2차원 반도체에 전달되는 전기장을 주변부 대비 약 20분의 1 수준으로 줄여 광자의 에너지 변화를 막는다.
남 교수팀은 양자광원의 순도도 개선했다.
단일양자광원을 실제로 만들 때 한 번에 하나의 광자가 아니라 여러 광자를 동시에 방출할 가능성이 생기는데, 이러한 방출 확률값을 0.06 수준으로 낮췄다. 확률값이 0.5 이하면 단일양자광원으로 간주되고 값이 0에 가까울수록 하나의 광자만 방출하는 고순도 상태를 의미한다. 실리콘 나노 피라미드와 2차원 반도체 사이의 고품질 절연층이 주변 결함에서 발생하는 배경 발광까지 줄여 준 덕분이다.
남궁선 교수는 “전기 신호로 단일광자를 제어하면서 광자 에너지는 안정적으로 유지하고, 순도까지 개선한 구조를 제시한 연구 성과”라며 “실리콘 반도체 공정과 호환하면 향후 칩 기반 양자 통신, 광자 양자 컴퓨팅, 양자 광학 센서 개발에 직접 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.
이 연구결과는 나노 레터스 3월 11일 온라인으로 게재됐다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com