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.