기존 광섬유 통신망과 연결…양자 인터넷 핵심 광원 개발

[아이뉴스24 정종오 기자] 기 씨밴드(C-band)는 광섬유를 통해 인터넷 신호가 가장 멀리, 가장 적게 손실되며 전달되는 ‘최적의 빛 파장대(약 1550nm)’를 말한다. 인터넷이 가장 잘 달리는 고속도로의 색깔이다.

이 파장에서 원하는 시점에 발생하는 확정적 양자 광원을 안정적으로 만들어내는 기술은 전 세계가 해결하지 못한 난제였다. 국내 연구팀이 C-band에서 세계 최고 품질(동일성 72%, 순도 97%)의 단일 광자원을 만드는 데 성공했다.

한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형)은 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 올해 상온에서도 작동되는 광통신 대역의 위치 제어된 단일 광자원을 실험적으로 구현한 데 이어 세계 최고 수준의 ‘구별불가능한 동일 광자’를 만드는 C-band 대역의 양자 광원을 잇달아 개발했다고 30일 발표했다.

두 논문은 국제 학술지에 비중 있게 소개됐다. 이를 기반으로 앞으로 양자컴퓨터·양자통신·초정밀 센싱 등 차세대 양자 기술의 성능을 결정짓는 핵심 기반 기술인 다중 광자 얽힘 기술을 개발할 계획이라고 관련 연구팀은 전했다.

상온에서도 잘 작동, 광통신 대역의 위치 조절 단일 광자원 개발

일반 손전등은 빛을 ‘우르르’ 쏟아낸다. 단일 광자원은 빛을 한 번에 딱 하나씩 꺼내는 장치다. 이 빛은 복사가 불가능해 도청할 수 없다. 양자 통신의 핵심 요소다.

만들어낸 광자들이 서로 완전히 똑같아 보일 정도로 동일하면 두 광자를 합쳤을 때 특이한 양자 효과(홍–오–만델 간섭, Hong-Ou-Mandel)가 나타난다. 이 효과는 양자 중계기, 양자 순간이동, 양자 네트워크 구축 등과 같은 미래 양자 인터넷의 필수 기술을 구현하는 바탕이 된다.

‘빛을 원하는 시점에 하나씩 만들고(순도), 그 빛들을 완전히 똑같게 만드는 능력(동일성)’이 양자 인터넷을 위한 양자 광원의 핵심 성능이다.

연구팀은 상온에서도 잘 작동하는 단일 광자원을 개발하기 위해 질화갈륨(GaN)이라는 재료의 결함에서 나오는 단일 광자에 주목했다. 이 기술은 결함이 아무 곳에서나 생기고 빛이 박막 안에서 갇혀 빠져나오기 어렵고 효율이 낮다는 문제가 있었다.

연구팀은 미세 패턴을 새긴 사파이어 기판(PSS)을 만들고 그 위에 GaN 박막을 성장시켜 빛이 나오는 결함의 위치를 원하는 대로 조절했다. 빛이 완전히 갇히지 않고 밖으로 잘 나오도록 만드는 데 성공했다.

그 결과, 상온에서도 통신용 파장대(1.1~1.35µm)에서 단일 광자의 위치와 밀도를 제어하면서 보다 안정적으로 만들 수 있게 됐다.

이번 연구((논문명: Spatial Distribution Control of Room-Temperature Single Photon Emitters in the Telecom Range from GaN Thin Films Grown on Patterned Sapphire Substrates)는 김혜민 박사과정이 제 1저자로 참여했으며, 양자 기술 분야 국제 학술지 ‘Advanced Quantum Technologies’실렸다.

광섬유 인터넷과 바로 연결되는 C-band 대역 고동일성 양자 광원 개발

C-band 대역에서 양자 광원을 만들어내면 기존 인터넷망과 그대로 연결되는 양자 인터넷이 가능하다. 문제는 이 파장에서 높은 품질의 확정적 단일 광자를 만드는 것이 세계적으로 가장 어려운 기술 중 하나라는 점이다.

양자점은 ‘아주 작은 빛 공장’처럼 크기에 따라 낼 수 있는 빛의 색이 달라진다. 기존 재료(GaAs 위에 InAs)로는 양자점이 너무 작게 형성돼 주로 900nm 부근의 양자 광원을 성능 좋게 잘 만들 수 있었다.

연구팀은 먼저 장파장의 빛을 내는, 더 큰 양자점을 만들 수 있도록 ‘재료 조합’을 새로 설계했다. 이에 InP 기판과 InAlGaAs 장벽 조합을 도입해 더 큰 InAs 양자점을 성장시키는 데 성공했다.

이 양자점이 1550nm(C-band), 즉 광섬유 통신에서 사용하는 파장에서 단일 광자를 효과적으로 만들어내도록 했다. 재료 조합을 바꿔 더 큰 ‘빛 공장’을 지어 C-band 빛을 구현한 셈이다.

다음으로 연구팀은 광자 품질을 높이기 위한 구조적 개선을 적용했다. 성장된 양자점을 중심에 두고 초정밀 원형 브래그 격자(CBG) 구조를 제작함으로써 빛 알갱이인 광자가 더 빠르고 깨끗하게 방출하도록 했다. 빛 공장에 특수 배광 장치를 달아 보다 많은 빛이 빠르게 빠져나오도록 한 것이다.

양자점을 켜는 방식도 개선했다. 기존 방식은 잡음이 섞이거나 시간이 지날수록 빛의 색이 흔들려 광자들이 서로 완전히 같아지지 않는 문제가 있었다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 준공명 p-shell ‘여기 방식’을 사용했다. 여기 방식은 레이저나 방전 분야에서 특정 물질을 활성화(여기)시키는 데 사용되는 다양한 물리적·화학적 방법을 말한다.

기존 방식은 잡음이 섞이거나 시간이 지날수록 빛의 색이 흔들려 광자들이 서로 완전히 같아지지 않는 문제가 있었다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 준공명 p-shell 여기 방식을 사용했다. 빛이 나오는 에너지(s-shell) 보다 위 단계(p-shell)를 살짝 건드려 양자점을 부드럽고 안정적으로 켜는 방식이다. 원하는 빛 만을 잘 선택할 수 있고 잡음과 시간 흔들림이 크게 줄어든다.

두 가지 기술(구조 개선 + 준공명 p-shell 여기)을 결합한 결과, 연구팀은 동일성 72%와 순도 97%라는 C-band 최고 품질 기록을 달성했다.

물리학과 김재원 박사과정이 제 1저자로 참여한 이번 연구 결과(논문명: Two-Photon Interference from an InAs Quantum Dot Emitting in the Telecom C-Band)는 양자 기술 분야 국제 학술지 ‘Advanced Quantum Technologies’에 실렸다.

조용훈 교수는 “기존 광섬유 통신망과 바로 연결될 수 있는 파장에서 사용될 수 있는 확정적 양자 광원을 세계 최고 수준으로 얻은 결과”라며 “최근 선정된 양자과학기술 플래그십 프로젝트를 통해 이러한 확정적 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 말했다.