아주대 연구진이 기존 광통신망에 곧바로 연결할 수 있는 광섬유 기반 '양자얽힘 광원'을 개발했다. 광원의 순도를 기존 2차원 물질 기반 소자보다 100배 높인 것으로, 차세대 양자통신과 양자센서, 분산형 양자컴퓨터 등에 활용될 것으로 기대된다.
아주대는 염동일 물리학과·에너지시스템학과 교수 연구팀이 한국표준과학연구원 연구진과 2차원 반데르발스(van der Waals) 물질을 활용한 통신대역 광섬유 양자얽힘 광원을 개발했다고 18일 밝혔다.
양자통신과 양자컴퓨팅은 빛의 최소 단위인 광자(photon)를 이용해 정보를 전달하고 처리하는데, 이때 핵심 기술로 꼽히는 것이 '양자얽힘'이다. 양자얽힘은 두 광자가 멀리 떨어져 있어도 하나의 양자상태를 공유하는 현상으로, 양자암호통신과 여러 양자컴퓨터를 잇는 분산형 양자컴퓨팅을 구현하는 데 필요한 자원이다.
문제는 얽힘 상태의 광자를 안정적으로 만들어내기가 쉽지 않다는 점이다. 기존 양자얽힘 광원은 장비가 크고 정밀한 광학 정렬이 필요한 데다 광섬유 통신망과 연결할 때 손실도 컸다. 광섬유 자체로 얽힘 광자를 만드는 기술도 나왔지만, 긴 광섬유가 필요하고 잡음을 줄이면서 고품질 양자상태를 확보하기가 어려웠다.
염 교수팀은 이를 해결하기 위해 강한 '2차 비선형 광특성'을 지닌 반데르발스 신소재 'SnP₂S?'를 광섬유에 직접 결합했다. SnP₂S?는 수 마이크로미터(㎛) 두께에서도 근적외선 영역의 비선형 광신호를 강하게 내는 물질이다.
연구팀은 이 물질을 광섬유와 결합해 상용 광통신의 표준 파장인 1550나노미터(㎚) 대역에서 양자얽힘 광자쌍을 생성하는 데 성공했다. 2차원 물질을 결합한 광섬유 소자에서 이 통신대역의 얽힘 광자쌍을 구현한 것은 세계 최초라는 게 연구팀 설명이다. 복잡한 광학 정렬 없이도 안정적으로 작동해 기존 광통신망에 바로 연결할 수 있는 만큼 양자통신망 구축에도 유리하다.
성능도 크게 끌어올렸다. 연구팀이 생성한 광자의 품질을 나타내는 'CAR(Coincidence-to-Accidental Ratio)' 값은 기존 2차원 물질 기반 광원보다 100배 높았다. CAR은 실제로 동시에 생성된 광자쌍과 우연히 동시에 검출된 광자의 비율로, 값이 높을수록 잡음이 적다는 뜻이다. 양자상태 토모그래피로 측정한 신뢰도(Fidelity)와 순도(Purity)도 최대 0.97을 기록해 소자에서 고품질 편광 양자얽힘 상태가 만들어지는 것을 확인했다.
기존 광통신 기반시설을 그대로 활용할 수 있다는 점에서 상용화 가능성도 주목된다. 앞으로 양자암호통신은 물론 초정밀 양자센서와 여러 양자컴퓨터를 잇는 분산형 양자컴퓨팅 등에 적용될 수 있다.
염 교수는 "실제 다양한 시스템에 적용할 수 있도록 소자 성능을 높이는 후속 연구를 진행하고 있다"며 "앞으로 양자암호통신과 양자센서, 분산형 양자컴퓨터 등 다양한 양자기술 분야에 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.
이번 연구에는 염 교수가 교신저자, 최중석 연구원이 제1저자로 참여했으며 한국표준과학연구원의 이상민·박희수·하성주 박사도 공동교신저자와 공동 제1저자로 함께했다. 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 지난 7월 온라인 게재됐다. 한국연구재단과 정보통신기획평가원의 지원을 받았다.
수원=정진욱 기자