박홍규 서울대 교수팀, 나노 크기 단일 광자 발생기 개발

[캠퍼스人+스토리]
원형 편광된 빛 인코딩 가능해 효율적
메타 물질 결합 방식으로 단일 광자 발생기 개발
도청이 불가능한 양자 통신 등 보안 분야로 확장 가능

박홍규 서울대학교 물리천문학부 교수 /서울대

박홍규 서울대 교수팀이 양자 기술의 핵심이 되는 나노 크기의 단일 광자 발생기를 개발했다.

27일 서울대에 따르면 연구팀은 소재필 한국전자통신연구원 양자기술연구본부 선임연구원, 이순재 고려대학교 물리학과 박사후연구원 등과 함께한 연구에서 원형 편광된 단일 광자를 발생시키는 새로운 단일 광자 발생기를 개발했다.

단일 광자 발생기에서 방출되는 빛은 대부분 선형 편광돼 있지만, 이를 원형 편광으로 바꾸게 되면 양자 정보의 효율적인 활용이 가능하다. 원형 편광된 빛은 스핀 각운동량을 활용해 양자 정보의 형태나 형식을 변환하는 '인코딩'이 가능하기 때문이다.

현재 단일 광자의 선형 편광을 원형 편광으로 변환하기 위한 연구는 단일 광자 발생기에 강한 자기장을 쐬어주거나, 수십 마이크로미터 크기의 메타 물질을 결합시키는 방법이 주로 쓰인다.

연구팀은 실험실에서만 가능한 자기장 인가 방식 대신 수십 마이크로미터 크기의 메타 물질을 결합시키는 방식으로 나노 크기의 단일 광자 발생기를 개발했다.

연구팀은 원자 두께만큼 얇은 2차원 물질인 텅스텐 다이셀레나이드(WSe2) 단일층과 카이랄 금 나노입자를 결합해 단일 광자 발생기를 만든 뒤 광자 발생기에서 선형 편광인 단일 광자가 원형 편광으로 바뀌는 현상을 관측했다.

양자 정보를 효과적으로 조절할 수 있는 나노 크기의 단일 광자 발생기는 군용 통신, 첨단 산업 등 보안이 필요한 분야에서 활용도가 높다.

연구팀 관계자는 "이번 연구 결과가 도청이 불가능한 양자 통신 등으로 확장될 수 있다"며 "새 단일 광자 발생기는 양자 광 컴퓨터의 특성 제어를 쉽고 간단한 디자인으로 구현해 양자 소자의 소형화와 상용화에 도움이 될 것으로 기대한다"고 했다.

이번 연구는 지난 24일 종합 과학 분야 국제학술지인 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 게재됐다.