양자 통신 기술은 도청이 불가능한 것으로 알려져 군용 통신이나 첨단 산업에서 쓰일 것으로 기대된다. 게티이미지뱅크

도청이 불가능한 것으로 알려진 양자 통신 기술에는 하나의 빛 알갱이(광자)만 발생시키는 단일 광자 발생기가 핵심 소자다. 국내 연구팀이 양자 정보를 효과적으로 조절할 수 있는 새로운 형태의 단일 광자 발생기를 개발했다. 양자 소자의 소형화·상용화에 도움이 될 것으로 기대된다.

서울대는 박홍규 물리천문학부 교수팀이 남기태 재료공학부 교수팀과의 공동연구를 통해 2차원 물질과 금 나노입자를 활용해서 단일 광자에 양자 정보를 인코딩하는 새로운 기술을 개발했다고 27일 밝혔다. 연구결과는 24일 국제학술지 '사이언스 어드밴시스'에 공개됐다.

단일 광자 발생기는 양자 통신, 양자 암호학, 양자 컴퓨팅 분야에서 필수적인 양자 소자다. 현재 단일 광자 발생기에서 방출되는 빛은 선형으로 편광되어 있다. 이를 원형 편광으로 바꾸면 빛의 각운동량(SAM)을 활용해 양자 정보를 더 효율적으로 활용할 수 있다. 편광은 빛이 진행할 때 빛을 이루는 전기장이나 자기장이 특정 방향으로 진동하는 현상이다. 선형, 원형, 타원 편광 세 종류로 나뉜다.

빛에는 전기장과 자기장이 있다. 선형 편광은 전기장과 자기장이 수직한 방향으로 일정하다. 전기장과 자기장이 나타내는 위상(phase)에 차이가 발생하면 선형 편광에는 없는 빛의 각운동량이 생기며 원형 편광이 된다. 추가적인 정보가 생기는 것이다.

연구에 참여한 소재필 한국전자통신연구원 양자기술연구본부 선임연구원은 "광통신에서도 원형편광된 빛이 정보 손실이 적어 유용하다"고 덧붙였다.

선형 편광을 원형 편광으로 변환하기 위해 강한 자기장을 주거나 자연에 없는 성질을 가진 물질인 메타물질을 결합하는 방법이 주로 쓰인다. 실험실 밖에서는 강한 자기장을 만들기 어렵고 메타물질을 만드는 데도 복잡한 공정이 필요해 상용화에 어려움이 있다.

연구팀이 개발한 원형 편광 단일 광자 발생기의 모식도(왼쪽) 및 전자현미경 사진(오른쪽). 서울대 제공

연구팀은 텅스텐 다이셀레나이드(WSe2)라는 아주 얇은 2차원 물질과 한 변이 100나노미터(nm, 10억분의 1미터) 정도인 정육면체 모양 금 나노입자를 결합한 단일 광자 발생기를 구현했다. 2차원 물질은 금 나노입자의 모서리에서 선형 편광된 단일 광자를 발생시켰다.

단일 광자는 금 나노입자의 꼭짓점에서 진동하면서 나노입자 표면의 작은 틈새인 나노갭 주위에 유도 전류를 만들었다. 꼭짓점에서는 원형 편광된 광자가 방출됐다. 소재필 연구원은 "금 입자가 아주 작은 전기회로처럼 작용하면서 단일 광자의 전기장과 자기장 사이의 위상 차이를 만든 것"이라고 설명했다.

표면에 나노갭이 없는 금 나노입자를 사용하자 원형이 아닌 선형 편광된 단일 광자가 발생했다. 금 나노입자의 표면 구조가 단일 광자의 편광을 변화시키는 원인이라는 사실을 확인한 것이다. 연구팀이 개발한 단일 광자 발생기는 기존 장치보다 2000분의 1 수준으로 크기가 작았고 여러 개의 발생기를 동시에 작동할 수 있었다.

연구팀은 "단일 광자의 편광 정보를 조절하면 보안이 필수적인 군용 통신이나 첨단 산업에서 도청이 불가능한 양자 통신으로 확장할 수 있다"며 "또 양자 컴퓨터를 보다 간단한 디자인으로 구현할 수 있어 양자 소자의 소형화 및 상용화에 도움이 될 것으로 기대한다"고 전했다.

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