기존 광섬유망에서 단일 광자 양자통신 가능하게 한 양자점 개발

기존 양자점의 파장 한계

양자통신에서 단일 광자는 복제·분할이 불가능하다는 특성 덕분에 원리적으로 도청을 탐지할 수 있는 정보 전달 매체로 주목받아 왔다. 그러나 높은 성능을 보여온 기존 반도체 양자점은 약 930 nm 근적외선 대역에서만 작동했고, 이 파장은 현재 통신 인프라가 요구하는 1260 nm 이상의 통신 대역(telecom band)에 미치지 못했다. 광섬유에서의 신호 손실을 최소화하려면 더 긴 파장이 필수적이므로, 고성능 양자점은 그간 실제 네트워크 적용에서 배제되어 있었다.

결맞음 달성의 핵심 난제

통신 대역에서 단일 광자를 생성하는 시도 자체는 이전에도 있었으나, 방출 광자의 결맞음 수준이 낮아 실용성이 없었다. 양자광학에서 결맞음이란 연속 방출되는 광자들이 동일한 물리적 특성을 갖는 상태를 의미하며, 이 조건이 충족되지 않으면 양자 간섭이나 얽힘 생성 같은 핵심 프로토콜을 실행할 수 없다. 통신 대역에서는 소음 특성이 달라 이 수준의 양자 결맞음을 확보하기 매우 어려웠고, 이는 학계 내에서 사실상의 물리적 제약으로 받아들여졌다.

두 가지 난제의 동시 극복

닐스보어연구소 팀은 독일 보훔 소재 공동 연구그룹과의 협업을 통해 이 문제를 해결했다. 보훔 팀이 초저잡음 양자점 에미터의 성장 공정을 최적화했고, 닐스보어연구소는 클린룸 나노가공 기술로 이를 양자 포토닉 회로에 패터닝했다. 극저온 환경에서 레이저 탐침 실험으로 결맞음 단일 광자 방출이 확인됐다. 결과적으로 이 양자점은 약 1300 nm에서 결맞음 상태의 동일한 단일 광자를 방출한다는 두 가지 조건을 동시에 충족한다. 연구 결과는 국제학술지 Nature Nanotechnology에 게재됐으며, 제1저자는 Marcus Albrechtsen 등이다.

실리콘 포토닉스 통합 가능성

이번 성과는 기존 광섬유망과의 호환성 외에도 실리콘 포토닉 칩과의 직접 통합이 가능하다는 점에서 추가적인 의미를 갖는다. 실리콘은 광집적회로의 가장 보편적인 기판 소재이나, 1100 nm 이하의 파장을 흡수하는 특성 때문에 기존 양자점을 탑재하기 어려웠다. 1300 nm 대역 동작은 이 제약을 자연스럽게 우회하므로, 별도의 주파수 변환 소자 없이 양자 광원을 상용 칩에 내장할 수 있는 경로가 열린다.

남은 과제

연구팀은 이번 성과가 양자 중계기와 장거리 양자통신, 나아가 양자 인터넷 구축의 현실적 기반을 제공한다고 밝혔다. 다만 현재까지의 실증은 소자 단위 특성 확인 수준이며, 실제 네트워크 환경에서의 운용 신뢰도·소자 수율·집적 규모 등은 향후 검증이 필요한 단계로 남아 있다.