UNIST, 전기로 켜고 끄는 고순도 단일양자광원 개발

- 실리콘 칩 기반 양자컴퓨팅·센서·통신 소자 원천 기술

연구진 사진. 좌측부터 남궁선 교수, 김제형 교수, 사티아브라트 베헤라 연구원, 문종성 연구원. (자료제공: UNIST)

2차원 반도체 물질 기반 단일양자광원을 전압으로 스위칭하는 모식도. (자료제공: UNIST)

전압을 가해 켜고 끌 수 있는 단일양자광원이 새롭게 개발됐다. 광원을 켜고 끄기 위해 전압을 가하면 광자의 에너지가 변하는 부작용이 해결돼, 단일양자광원을 이용한 칩 기반 양자컴퓨팅과 양자암호통신 기술 개발을 기대할 수 있게 됐다.

UNIST(총장 박종래)는 물리학과 남궁선·김제형 교수팀이 스타크 효과(Stark Effect)를 억제한 2차원 반도체 물질 기반 고순도 단일양자광원을 개발했다고 3월 23일 밝혔다.

일반적인 형광등에서 1초에 약 10¹⁸개 이상의 빛 입자(광자)가 쏟아져 나오는 것과 달리, 단일양자광원은 아주 짧은 순간(나노초)에 단 하나의 광자만을 방출하는 광원이다. 이 단일 광자를 비트(bit)와 같은 정보의 최소 단위로 활용해 양자컴퓨팅이나 양자암호통신에 쓸 수 있다.

스타크 효과는 광원을 켜고 끄기 위해 전압을 가했을 때 방출되는 광자의 에너지가 변하는 현상이다. 양자컴퓨팅이나 양자암호통신에서는 여러 광자가 서로 간섭하면서 정보를 처리하는데, 광자 에너지가 달라지면 서로 다른 광자로 구별돼 간섭과 같은 양자현상이 제대로 일어나지 않는다. 특히 여러 광원이 집적돼 전압이 불안정한 칩 환경에서는 스타크 효과가 더 문제가 된다. 

연구팀은 단일양자광원 내부에 미세한 공기층을 만드는 방식으로 스타크 효과를 억제한 단일양자광원을 개발했다. 개발된 광원은 뾰족한 실리콘 나노 피라미드 위에 2차원 반도체 물질인 텅스텐 디셀레나이드(WSe₂)가 올려진 구조로, 실리콘과 반도체 사이에 공기층이 형성되어있다. 이 공기층이 2차원 반도체에 전달되는 전기장을 주변부의 약 20분의 1 수준으로 줄여줘 광자의 에너지 변화를 막는다.

또 순도도 개선됐다. 단일양자광원을 실제로 만들면 한 번에 하나의 광자가 아니라 여러 광자가 동시에 방출될 가능성이 있는데, 이번 연구에서는 이 확률값이 0.06 수준으로 나타났다. 확률값이 0.5 이하이면 단일양자광원으로 간주되며 값이 0에 가까울수록 하나의 광자만 방출되는 순도가 높은 상태를 의미한다.

연구팀은 실리콘 나노 피라미드와 2차원 반도체 사이에 삽입한 고품질 절연층이 주변 결함에서 발생하는 배경 발광을 줄인 덕분이라고 설명했다.

공동 연구팀은 “전기 신호로 단일광자를 제어하면서도 광자의 에너지를 안정적으로 유지하고, 순도까지 함께 개선한 구조를 제시한 것에 의미가 있다”며 “실리콘 반도체 공정과 호환돼 향후 칩 기반 양자 통신, 광자 양자 컴퓨팅, 양자 광학 센서 개발에 직접 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

사티아브라트 베헤라(Satyabrat Behera) 연구원과 문종성 연구원이 제1저자로 참여한 이번 연구는 정보통신기획평가원(IITP) ITRC 사업, 한국연구재단, UNIST 미래선도형 특성화사업 등의 지원을 통해 이뤄졌다. 연구결과는 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 3월 11일 온라인 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]