[박경덕 교수] 초고휘도 상온 단일양자광원 구현 성공

초고휘도 상온 단일양자광원 구현 성공 탐침을 이용해 초고휘도 상온 단일양자광원을 구현한 그림 영화 속 첩보원들이 절대 도청당하지 않는 회선으로 비밀을 주고받는 장면이 있다. 그 꿈같은 기술의 열쇠가 바로 '빛 알갱이'다. 빛을 한 번에 하나씩 보내면 누군가 몰래 엿듣는 순간 흔적이 남아, 원리상 도청이 불가능하다. 그런데 최근 POSTECH(포항공과대학교) 물리학과·반도체공학과·융합대학원·반도체대학원 박경덕 교수 연구팀이 이 빛 알갱이를 상온에서, 그것도 원하는 대로 밝기와 성질까지 조절하는 길을 열었다. 빛의 최소 단위인 ‘광자’를 한 번에 딱 하나씩만 내보내는 '단일광자 방출체'는 양자암호통신과 양자컴퓨터의 핵심 광원이다. 문제는 기존 광원 대부분이 영하 200도가 넘는 극저온에서만 잘 작동한다는 점이다. 그 대안으로 주목받은 것이 '육방정 질화붕소(hBN)'라는 2차원 물질 속 원자 결함이다. 이 결함은 상온에서 안정적으로 빛 알갱이를 내보내지만, 밝기가 너무 어두웠다. 무엇보다 결함이 생기는 위치와 빛의 색도 제각각이어서 광원으로 활용하기 어려웠다. 지금까지는 빛을 가둬 증폭하는 장치인 '광공진기'를 기판 위에 고정해 두고, 우연히 그 조건에 맞는 결함이 나타나기만을 기다려야 했다. 자물쇠는 정해져 있는데 맞는 열쇠가 저절로 나타나길 바라는 셈이었다. 연구팀은 원자간력현미경의 뾰족한 금 탐침 끝을 초소형 광공진기로 활용했다. 원하는 결함 위로 탐침을 옮겨 가까이 대면, 결함에서 나오는 빛을 선택적으로 키울 수 있도록 한 것이다. 실제로 탐침을 가까이 가져갈수록 빛이 단계적으로 밝아졌으며, 가장 가까이 붙였을 때는 밝기가 10배 이상 증가했다. 탐침을 떼면 원래 밝기로 돌아와 밝기를 자유롭게 조절할 수도 있었다. 광자가 나오는 속도 역시 높였다. hBN 결함은 한 번 빛을 낸 뒤 다음 광자를 내보내기까지 시간이 필요해 강한 레이저를 사용해도 밝기가 일정 수준 이상 높아지기 어려웠다. 연구팀은 광공진기와 결함을 결합해 광자 방출 속도를 높이고, 강한 레이저에서도 밝기가 계속 증가하는 고출력 동작을 구현했다. 특히 탐침 색을 조절하면 같은 결함에서도 광자가 나오는 방식까지 바꿀 수 있었다. 탐침의 색을 결함이 내는 빛에 맞추면 광자가 하나씩 나오는 단일광자 순도가 높아졌고, 레이저 색에 맞추면 광자가 여러 개씩 뭉쳐 나오는 특성이 나타났다. 하나의 탐침으로 결함의 위치뿐 아니라 광원 발광 특성까지 맞춤형으로 조절할 수 있음을 보인 것이다. 이번 연구의 의미는 상온에서 작동하면서도 필요에 따라 발광 특성을 조절할 수 있는 양자 광원을 구현했다는 데 있다. 별도의 극저온 냉각 장치 없이 원하는 위치의 결함을 선택하고, 밝기와 광자 방출 특성까지 조절할 수 있어 양자암호통신과 양자컴퓨터 등에 활용되는 상온 양자 광원의 맞춤형 설계 가능성을 높였다. POSTECH 이형우 박사와 문태영 연구원은 "원하는 결함을 선택해 발광 특성을 맞춤형으로 조절할 수 있다는 점이 이번 연구의 핵심"이라며 "고정된 공진기로 어려웠던 결함 맞춤 제어를 구현했다"라고 전했다. 박경덕 교수는 “이번 연구에서 개발한 초고휘도 상온 단일양자광원은 3G 이동통신급의 고속 양자암호통신이 가능한 세계 최고 수준의 성능을 구현했다”며 “관련 특허 4건을 출원하고 안정적으로 동작하는 시제품까지 구현함으로써 실제 상용화를 위한 기술적 기반도 확보했다”고 연구의 의미를 설명했다. 한편, 이번 연구는 호주 시드니공대(UTS) 이고르 아하로노비치(Igor Aharonovich) 교수, 밀로스 토스(Milos Toth) 교수와의 공동연구를 통해 수행되었으며, POSTECH 오현민, 박기정 씨가 측정 연구를 함께 수행하였다. 과학기술정보통신부 · 한국연구재단 한계도전 R&D 프로젝트 지원사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 나노과학 분야 국제 학술지인 '나노 레터스(Nano Letters)' 표지 논문으로 선정됐다.

[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.