[신희득 교수] Parallel multi-target detection for quantum LiDAR (양자 LiDAR를 위한 다중 표적 병렬 탐지)

Parallel multi-target detection for quantum LiDAR (양자 LiDAR를 위한 다중 표적 병렬 탐지) Prof. Heedeuk Shin’s research team has demonstrated a quantum LiDAR technique that can read the distance and direction of multiple targets in parallel, even when background noise is 1,000 times stronger than the target signal. The work turns the natural wavelength randomness of quantum photons into a beam-steering resource, opening a path toward low-light LiDAR that does not rely on point-by-point mechanical scanning. The study, titled “Parallel multi-target detection for quantum LiDAR,” has been published in Laser & Photonics Reviews. Visualization of the measured distances and directions of multiple targets using parallel quantum LiDAR in a low-light environment with background noise 1,000 times stronger than the signal.

[박경덕 교수] Deterministic, dynamically reconfigurable single quantum emitters enabled by tip-enhanced nano-optical trapping spectroscopy

Deterministic, dynamically reconfigurable single quantum emitters enabled by tip-enhanced nano-optical trapping spectroscopy 단일양자광원은 양자통신, 양자컴퓨팅, 양자센싱 등 차세대 양자기술의 핵심 구성요소로 주목받고 있다. 특히 단일양자점은 상온에서도 작동 가능한 밝고 안정적인 양자광원으로 큰 잠재력을 지닌다. 그러나 나노미터 크기의 단일양자입자는 매우 작고 외부 환경에 민감해 원하는 위치에 안정적으로 배치하고, 밝기·에너지·편광·양자결합 상태 등 광학적 특성을 실시간으로 제어하는 데 한계가 있었다. 기존 방식은 대부분 기판 위에 우연히 놓인 양자광원을 찾아 관찰하는 수준에 머물러, 단일양자광원을 능동적으로 포획하고 재구성하는 새로운 플랫폼이 필요했다. 박경덕 교수 연구팀은 상온 액체 환경에서 단일양자광원을 초집속 나노빛으로 포획하고, 그 특성까지 실시간으로 제어할 수 있는 ‘탐침증강 나노광포획 분광법(Tip-enhanced nano-optical trapping, TENT)’을 개발했다. 연구팀은 액체 속에 자유롭게 떠다니는 단일양자점을 금 탐침 끝의 초집속 나노빛으로 끌어당겨 안정적으로 포획했으며, 빛이 만드는 돌림힘에 의해 양자점이 빛과 가장 강하게 상호작용하는 방향으로 스스로 정렬됨을 확인했다. 또한 탐침과 기판 사이의 나노미터 간격을 조절해 빛이 갇히는 공간의 크기를 변화시키고, 이를 통해 단일양자광의 밝기, 에너지, 양자결합 세기를 능동적으로 제어하는 데 성공했다. 더 나아가 탐침이 가하는 초고압력을 이용해 추가적인 양자상태 조절 가능성도 입증했다. 이번 연구는 단일양자광원을 단순히 ‘찾아서 관찰하는’ 기존 방식에서 벗어나, 빛으로 불러오고 붙잡아 필요한 특성으로 바꿔 쓰는 새로운 양자나노광학 플랫폼을 제시했다는 점에서 의미가 크다. TENT 플랫폼은 포획·센싱·제어·분광 기능을 하나의 장치에 통합한 복합현미경으로, 향후 양자통신용 단일광자원, 양자 스위치 및 변조기, 나노양자센싱, 차세대 양자광소자 개발에 활용될 수 있다. 또한 액체 환경에서 작동한다는 장점을 바탕으로 바이러스, 단백질, 나노입자, 미세플라스틱 등 극미량 물질을 단일입자 수준에서 분석하는 초고감도 바이오·환경 센싱 기술로도 확장될 것으로 기대된다.

[김윤호 교수] Hyperentanglement-enabled noise-resilient quantum communication over a 40 km intra-city fiber network

Hyperentanglement-enabled noise-resilient quantum communication over a 40 km intra-city fiber network 얽힘 기반 양자 통신은 양자 얽힘 상태의 광자쌍을 통신 참여자들에게 분배하여 수행하는 이론적으로 도청이 불가능한 통신 프로토콜이다. 그러나 기존의 양자 통신 방식은 양자 채널에 잡음이 존재하는 경우 얽힘의 품질이 저하되어, 보안이 보장된 양자 통신이 불가능해지는 한계가 존재하였다. 포항공과대학교 물리학과 김윤호 교수 연구팀은 이러한 한계점을 극복하고자, 두 개 이상의 자유도에서 얽힘이 존재하는 ‘초얽힘’ 양자 상태를 이용하여 잡음을 억제한 양자 통신을 대전 시내 40 km 길이의 실망에서 구현하였다 [Seo et al., Optica 13, 977 (2026)]. 연구팀은 주파수 및 시간-빈 초얽힘 양자 상태에 주파수 분할 모듈을 사용하여 주파수 상관관계가 있는 신호를 시간 상관관계가 있는 신호로 변환하였다. 이후 후선택 과정을 통해 상관관계가 없는 잡음을 효과적으로 억제함으로써, 기존 방식에 대비 신호 대 잡음비를 10배 이상 향상시킨 시간-빈 얽힘 분배를 구현하였다. 또한, 실험에서는 후선택 과정을 거친 양자 상태가 양자 통신의 보안성을 보장하는 핵심 지표인 CHSH 부등식을 위반함을 확인하였다. 이는 심한 잡음과 광손실로 인해 양자 통신이 불가능한 환경에서도 초얽힘 기반 주파수 분할 방식을 통해 양자 통신이 수행 가능함을 보인 것으로, 향후 백본 네트워크를 활용한 양자 통신 인프라 구축에 응용 가능성을 시사한다. 이번 연구는 초얽힘 양자 상태를 통해 양자 통신에서의 잡음을 억제할 수 있음을 보여줌으로써, 얽힘 기반 양자 키 분배, 양자 텔레포테이션, 얽힘 교환 등 다양한 양자 통신 기술로의 확장 가능성을 열었다. 특히 실험실 환경을 넘어 실제 도심 내 40 km 광섬유 실망에서 신호 대 잡음비의 향상을 직접 입증하였다는 점에서 중요한 의의를 지닌다. 관련 링크: https://doi.org/10.1364/OPTICA.576289