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C-band 세계 최고 성능 ‘양자 인터넷 핵심 광원’ 개발
C-band(씨밴드)는 광섬유를 통해 인터넷 신호가 가장 멀리, 가장 적게 손실되며 전달되는 ‘최적의 빛 파장대(약 1550 nm)’를 말한다. 즉, 인터넷이 가장 잘 달리는 고속도로의 색깔이라고 생각하면 된다. 이 파장에서 원하는 시점에 발생되는 확정적 양자 광원을 안정적으로 만들어내는 기술은 전 세계가 해결하지 못한 큰 난제였다. 그런데 한국 연구진이 C-band에서 세계 최고 품질(동일성 72%, 순도 97%)의 단일 광자원을 만드는 데 성공했다.
우리 대학은 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 올해 상온에서도 작동되는 광통신 대역의 위치 제어된 단일 광자원을 실험적으로 구현한데 이어서, 세계 최고 수준의 ‘구별불가능한 동일 광자’를 만드는 C-band 대역의 양자 광원을 잇달아 개발했다고 30일 밝혔다.
일반적인 손전등은 빛을 ‘우르르’ 쏟아내지만, 단일 광자원은 빛을 한 번에 딱 하나씩 꺼내는 장치다. 이 빛은 복사가 불가능하기에 도청이 거의 불가능한 양자 통신의 핵심 요소다.
또한, 만들어낸 광자들이 서로 완전히 똑같아 보일 정도로 동일하면 두 광자를 합쳤을 때 특이한 양자 효과(홍–오–만델 간섭, Hong-Ou-Mandel)가 나타나고, 이 효과는 양자 중계기, 양자 순간이동, 양자 네트워크 구축 등과 같은 미래 양자 인터넷의 필수 기술을 구현하는 바탕이 된다. 즉, ‘빛을 원하는 시점에 하나씩 만들고 (순도), 그 빛들을 완전히 똑같게 만드는 능력(동일성)’이 양자 인터넷을 위한 양자 광원의 핵심 성능이다.
■ 연구성과 1) 상온에서도 잘 작동하는 광통신 대역의 위치 조절된 단일 광자원 개발
연구팀은 상온에서도 잘 작동하는 단일 광자원을 개발하기 위해 질화갈륨(GaN)이라는 재료의 결함에서 나오는 단일 광자에 주목했다. 하지만 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 조절하고, 빛이 완전히 갇히지 않고 밖으로 잘 나오도록 만드는 데 성공했다. 그 결과, 상온에서도 통신용 파장대(1.1–1.35 µm)에서 단일 광자의 위치와 밀도를 제어하면서 보다 안정적으로 만들 수 있게 됐다. 이 연구는 김혜민 박사과정이 제 1저자로 참여했으며, 양자 기술 분야 국제 학술지인 ‘Advanced Quantum Technologies’ 게재되었고 2월호 표지 논문으로 선정됐다. (논문명: Spatial Distribution Control of Room-Temperature Single Photon Emitters in the Telecom Range from GaN Thin Films Grown on Patterned Sapphire Substrates, DOI: 10.1002/qute.202400177)
한국연구재단의 중견연구자지원사업, 정보통신기획평가원의 양자암호통신집적화 및 전송기술 고도화 사업, 그리고 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 수행됐다.
■ 연구성과 2) 광섬유 인터넷과 바로 연결되는 C-band 대역의 고동일성 양자 광원 개발
전 세계 인터넷은 (1550 nm 부근의) C-band 대역의 빛을 표준으로 사용한다. 왜냐하면 이 파장은 광섬유 속에서 가장 적게 약해지고, 가장 멀리 전달되기 때문이다.
따라서 이 파장에서 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 달라지는데, 기존 재료(GaAs 위에 InAs)로는 양자점이 너무 작게 형성되어 주로 900 nm 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 성공했고, 이 양자점이 드디어 1550 nm (C-band), 즉 광섬유 통신에서 사용하는 파장에서 단일 광자를 효과적으로 만들어내도록 했다. 결국, 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 하였다. 쉽게 말해 빛 공장에 특수 배광 장치를 달아 보다 많은 빛이 빠르게 빠져나오도록 한 것이다.
또한 양자점을 켜는 방식(여기 방식)도 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 방식을 사용했다. 이는 빛이 나오는 에너지(s-shell) 보다 위 단계(p-shell)를 살짝 건드려 양자점을 부드럽고 안정적으로 켜는 방식이다. 이렇게 하면 원하는 빛 만을 잘 선택할 수 있고 잡음과 시간 흔들림이 크게 줄어든다.
이러한 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 결과는 양자 기술 분야 국제 학술지인 ‘Advanced Quantum Technologies’ 게재되었고 10월호 표지 논문으로 선정됐다. (논문명: Two-Photon Interference from an InAs Quantum Dot Emitting in the Telecom C-Band, DOI: 10.1002/qute.202500069)
한국연구재단 양자기술 국제협력 강화사업 “칩 스케일 다수 확장 양자광원 및 광집적회로 기술개발”등의 지원을 받아 독일 뷔르쯔부르크 대학과 공동연구로 수행되었다.
조용훈 교수는 “기존 광섬유 통신망과 바로 연결될 수 있는 파장에서 사용될 수 있는 확정적 양자 광원을 세계 최고 수준으로 얻은 결과”라고 밝혔다.
이어 “최근 선정된 양자과학기술 플래그십 프로젝트를 통해 이러한 확정적 양자 광원의 동일성을 95% 이상으로 더욱 고도화하여, 양자컴퓨터·양자통신·초정밀 센싱 등 차세대 양자기술의 성능을 결정짓는 핵심 기반 기술인 다중 광자 얽힘 기술을 개발할 계획”이라고 말했다.
2025.12.01
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