[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

[박경덕 교수] 빛을 가두니 성능이 130배 증가… 상온에서도 밝게 빛나는 양자광원 구현

빛을 가두니 성능이 130배 증가… 상온에서도 밝게 빛나는 양자광원 구현 - 양자통신·양자컴퓨팅 핵심, 고효율 양자광원 집적화 기술 한 단계 도약 - 열처리를 통한 전하 중성화로 갇힌 엑시톤의 고효율 발광을 구현하는메커니즘. 열처리 전에는 물 분자층이 유전체 장벽으로 작용해 잉여 전자가 잔류하며, 트라이온(X-) 형성 등 비발광 경로가 지배적이다. 열처리 후에는 물 분자층 제거로 자유 전자가 금 기판으로 빠져나가 전하가 중성화되고, 나노홀 중심으로 수렴된 갇힌 엑시톤(XL)의 고효율 발광이 실현된다. POSTECH 물리학과·반도체공학과·융합대학원·반도체대학원 박경덕 교수와 기초과학연구원(IBS) 다차원탄소재료연구단 서영덕 부연구단장(UNIST 화학과 교수) 공동 연구팀은 상온에서도 밝게 빛나는 고효율 양자광원을 구현하는 데 성공했다. 이번 성과는 그동안 극저온 환경이나 복잡한 전기장치가 필요했던 2차원 반도체의 발광 한계를 넘어선 것으로, 빛을 극도로 작은 점에 가두는 양자구속효과를 이용해 대면적에서도 양자광원을 구현할 수 있는 가능성을 제시했다. 특히 실제 반도체 웨이퍼 공정과의 호환성을 확보함으로써, 양자광원 집적 기술로 확장될 수 있는 길을 열었다. 이에 따라 양자통신과 양자컴퓨팅, 차세대 나노 LED 등 다양한 분야로의 활용이 기대된다. 물질 내부에서 빛을 만들어내는 입자인 엑시톤은 2차원 반도체가 LED처럼 빛을 내게 하는 핵심 역할을 한다. 2차원 반도체는 이 엑시톤을 이용하면 매우 얇고 효율적인 광소자를 만들 수 있다는 장점이 있지만, 상온에서는 오히려 이 입자가 쉽게 퍼져버리는 특성 때문에 특정 위치에서 밝게 빛을 내기 어려웠다. 최근에는 엑시톤을 특정 위치에 묶어둘 수 있는 ‘갇힌 엑시톤’이 주목받고 있다. 이는 마치 공이 넓은 바닥에서는 자유롭게 굴러다니지만, 움푹한 그릇 안에서는 한곳에 머무는 것처럼, 엑시톤을 한 점에 묶어둘 수 있어 안정적인 발광이 가능하다는 장점이 있다. 또한 방출되는 빛의 색(파장)도 정밀하게 조절할 수 있어 이상적인 양자광원으로 평가된다. 하지만 상온에서는 상황이 달라진다. 열에너지가 커지면 그릇에 담겨 있던 공이 튀어나오듯, 엑시톤이 쉽게 퍼져나가고, 동시에 재료 내부에 남아 있는 전하들이 엑시톤과 결합하거나 에너지를 빼앗아 빛 대신 열로 소모되게 만든다. 이로 인해 발광 효율은 1% 이하로 크게 떨어지는 한계가 있었다. 이를 해결하기 위해 기존에는 복잡한 전기 구조로 전하를 정밀하게 제어하거나, 엑시톤의 움직임을 억제하기 위해 극저온 환경을 사용하는 방법이 필요했다. 그러나 이러한 방식은 장치가 복잡하고 비용이 높아 실제 기술로 적용하는 데 어려움이 있었다. 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 2차원 반도체 아래에 지름 500나노미터 크기의 나노홀 구조를 만들었다. 이 구조는 마치 움푹 파인 그릇처럼 작용해, 엑시톤이 자연스럽게 중심으로 모여 한 점에 머물도록 만든다. 시뮬레이션 결과, 나노홀 영역의 약 98%에서 엑시톤이 중심에 모여 ‘갇힌 엑시톤’ 상태를 형성하는 것을 확인했다. 그 결과, 상온에서도 발광 효율이 약 130배 향상되었으며, 기존보다 훨씬 밝은 빛을 내는 양자광원을 구현하는 데 성공했다. 이는 2차원 반도체에서 구현한 광원이 QLED TV에 사용되는 양자점처럼 밝고 안정적인 특성을 가질 수 있음을 보여준다. 또한 나노 구조를 더욱 작게 만들고 빛을 비추는 조건을 정밀하게 조절하면, 지금까지 어려웠던 상온 고효율 단일양자광 생성도 가능할 것으로 기대된다. 특히 2차원 반도체는 반도체 웨이퍼 공정을 통해 넓은 면적으로 제작할 수 있어, 향후 양자통신과 양자컴퓨팅 등 다양한 산업 기술로의 확장이 가능할 전망이다. 논문의 제1저자인 POSTECH 문태영씨는 “빛을 내는 입자를 한 점에 모아 가두는 방식으로, 상온에서도 밝게 빛나는 양자광원을 구현한 것이 이번 연구의 핵심”이라며 “이러한 구조는 다양한 광양자 소자들로 확장될 수 있는 기반이 될 것”이라고 밝혔다. 서영덕 부연구단장은 “2차원 반도체에서 빛이 만들어지고 사라지는 과정을 정밀하게 제어해 성능을 크게 끌어올린 점이 중요하다”며 “이번 기술은 향후 상온에서 단일광자를 만드는 광원으로 발전할 수 있는 중요한 기술적 전환점이 될 것”이라고 말했다. 한편, 연구에 사용된 나노홀 구조의 제작에는 노준석 교수 연구팀 오동교 씨와 이지해 씨가 참여하였으며, 2차원 반도체 소재의 제작에는 성균관대 김기강 교수 연구팀의 최수호 박사와 POSTECH 조문호 교수 연구팀의 조현제 씨가 참여하였다. 저온 측정에는 Deep Jariwala 교수 연구팀, 김제형 교수 연구팀, 그리고 Joshua R. Hendrickson 교수 연구팀의 Christopher E. Stevens가 함께 수행하였다. 또한 POSTECH 물리학과의 이형우 씨와 구연정 씨가 시뮬레이션 및 AFM 측정 실험을 함께 수행하였다. 이번 연구는 국제학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 게재됐으며, 한국연구재단, 삼성미래기술육성재단, 기초과학연구원 등의 지원으로 수행됐다.