양자컴퓨팅·암호통신 원천기술 실리콘 칩 기반 단일양자광원 개발
실리콘 칩 기반 고순도 단일양자광원이 개발됐다. 양자 분야 컴퓨팅이나 센서, 통신 등의 소자를 제작할 수 있는 원천 기술이어서 관심이다. UNIST는 남궁선·김제형 물리학과 교수 연구팀이 스타크 효과를 억제한 2차원 반도체 물질 기반 고순도 단일양자광원을 개발했다고 23일 밝혔다. 스타크 효과는 광원을 켜고 끄기 위해 전압을 가했을 때 방출되는 광자 에너지가 변하는 현상이다. 양자컴퓨팅이나 양자암호통신에서는 여러 광자가 서로 간섭하면서 정보를 처리하는데, 광자 에너지가 달라지면 간섭과 같은 양자현상이 제대로 일어나지 않는다. 특히 여러 광원이 집적돼 전압이 불안정한 칩 환경에서는 스타크 효과 같은 광자 에너지 변화가 일어난다. 일반적인 형광등에서 1초에 약 10¹⁸개 이상의 빛 입자(광자)가 쏟아져 나온다. 반면, 단일양자광원은 아주 짧은 순간(나노초)에 단 하나의 광자만을 방출한다. 이 단일 광자를 비트(bit)와 같은 정보 최소 단위로 활용, 양자컴퓨팅이나 양자암호통신에 쓸 수 있다. 연구팀은 실리콘 나노피라미드 배열을 기반으로 2차원(단층) 반도체 물질인 텅스텐 디셀레나이드(WSe₂)에서 단일 광자 방출기를 원하는 위치에 선택적으로 생성하고, 전기적으로 정밀 제어가 가능한 새로운 플랫폼을 개발했다. 실리콘을 식각해 만든 나노피라미드 구조(높이~200 nm, 폭~300 nm) 위에 얇은 절연층을 코팅하고, 그 위에 단층 WSe₂를 올려 소자를 제작했다. 나노피라미드의 뾰족한 끝이 WSe₂에 강한 국소 응력을 가해 그 자리에 단일 광자 방출기를 자동으로 만들어내는 원리다. 동시에 나노피라미드 자체를 전극으로 활용하고, 절연층을 양자 터널링 장벽으로 이용해 전압으로 단일 광자 방출을 켜고 끌 수 있도록 설계했다. 전압에 의해 전자가 절연층을 양자역학적으로 통과(터널링)하면서 WSe₂ 광자 방출을 제어하는 구조다. 연구팀은 인가 전압을 통해 WSe₂ 내부 광여기 전자가 절연층을 강제로 통과해(파울러-노르트하임 터널링) 빠져나가면서 단일 광자 방출이 꺼지는 원리로, 단순한 전압 조절만으로 단일 광자 방출기를 정밀하게 스위칭할 수 있음을 확인했다. 연구팀은 전압을 가해도 단일 광자의 파장이 거의 변하지 않는다는 점을 강조했다. 나노피라미드의 뾰족한 끝단과 WSe₂ 사이에 형성되는 미세한 에어갭(공기층)으로 인해, 단일 광자 방출기가 위치한 끝단에서의 전기장이 옆면보다 약 20배 낮게 형성돼 스타크 효과가 자연스럽게 억제된다. 이 덕분에 전압을 인가해도 광자 에너지 변화가 기존 연구 대비 현저히 작아, 파장 안정성을 유지하면서 밝기만을 독립적으로 조절할 수 있다. 연구팀은 또 h-BN(육방정계 질화붕소) 박막을 추가, 유전체 결함으로 인한 단일 광자가 꺼지는 문제를 해결했다. 이를 통해 94%의 단일 광자 순도 구현에도 성공했다. 이번 연구에는 사티아브라트 베헤라 연구원과 문종성 연구원이 제1저자로 참여했다. 공동 연구팀은 “전기 신호로 단일광자를 제어하면서도 광자 에너지를 안정적으로 유지하고, 순도까지 함께 개선한 구조를 제시한 것에 의미가 있다”며 “실리콘 반도체 공정과 호환돼 향후 칩 기반 양자 통신, 광자 양자 컴퓨팅, 양자 광학 센서 개발에 직접 활용될 수 있을 것”이라고 말했다. 연구결과는 국제 학술지 나노 레터스에 온라인으로 게재됐다.
