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[2차원 반도체 물질 기반 단일양자광원을 전압으로 스위칭하는 모식도 (울산과학기술원 제공=연합뉴스)]

전압을 가해 켜고 끌 수 있는 단일양자광원 기술이 나왔습니다.

울산과학기술원(UNIST)은 물리학과 남궁선, 김제형 교수팀이 스타크 효과(Stark Effect)를 억제한 2차원 반도체 물질 기반 고순도 단일양자광원을 개발했다고 23일 밝혔습니다.

단일양자광원은 아주 짧은 순간(나노초)에 단 하나의 광자만을 방출하는 광원이며 이 단일 광자를 비트(bit)와 같은 정보의 최소 단위로 활용해 양자컴퓨팅이나 양자암호통신에 사용할 수 있습니다.

연구팀은 단일양자광원 내부에 미세한 공기층을 만드는 방식으로 스타크 효과를 억제하는 데 성공했습니다.

스타크 효과란 광원을 켜고 끄기 위해 전압을 가했을 때 방출되는 광자의 에너지가 변하는 현상이며 양자컴퓨팅이나 양자암호통신에서는 여러 광자가 서로 간섭하며 정보를 처리하는데, 광자 에너지가 달라지면 서로 다른 광자로 구별돼 간섭과 같은 양자 현상이 제대로 일어나지 않습니다.

연구팀이 개발한 광원은 뾰족한 실리콘 나노 피라미드 위에 2차원 반도체 물질인 텅스텐 디셀레나이드가 올려진 구조로, 실리콘과 반도체 사이에 공기층이 형성되어 있습니다.

이 공기층이 2차원 반도체에 전달되는 전기장을 주변부의 약 20분의 1 수준으로 줄여줘 광자의 에너지 변화를 막습니다.

이와 함께 광원의 순도도 개선됐다고 연구팀은 설명했는데 단일양자광원을 실제로 만들면 한 번에 하나의 광자가 아니라 여러 광자가 동시에 방출될 가능성이 있는데, 이번 연구에서는 이 확률값이 0.06 수준으로 나타났습니다.

확률값이 0.5 이하면 단일양자광원으로 간주하며, 값이 0에 가까울수록 하나의 광자만 방출되는 순도가 높은 상태를 의미합니다.

연구팀 관계자는 "전기 신호로 단일광자를 제어하면서도 광자의 에너지를 안정적으로 유지하고, 순도까지 함께 개선한 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 말했습니다.

연구 결과는 국제 학술지 '나노 레터스'(Nano Letters)에 지난 11일 온라인으로 게재됐고 연구는 정보통신기획평가원 ITRC 사업, 한국연구재단, UNIST 미래선도형 특성화 사업 등의 지원을 받았습니다.