부산대·UNIST, 이종 양자광원 간 광자 구별불가능성 직접 실증

연구 배경: 왜 이종 플랫폼 연결이 필요한가

양자 네트워크는 단일 하드웨어 플랫폼만으로 완성하기 어렵다. 반도체 양자점은 높은 속도로 온디맨드 단일 광자를 방출하는 데 유리하지만, 장시간 양자 정보를 저장하는 기능은 갖추지 못한다. 반면 온열 원자 기체 셀은 자연 주파수 기준을 제공하고 효율적인 양자 저장 채널로 기능하나, 광자 생성 속도 측면에서 한계가 있다. 두 플랫폼을 실용적으로 연동하려면 서로 다른 광원에서 나온 광자가 구별 불가능한 수준이어야 한다. 이것이 이번 연구가 해결해야 했던 핵심 과제다.

실험 구성: 냉각을 통한 주파수 정합

연구팀은 자기 조립 방식의 인듐비소화물/갈륨비소화물(InAs/GaAs) 양자점과 온열 세슘(Cs) 기체 셀을 조합했다. 양자점을 12.5 K까지 냉각하여 방출 파장을 917.48 nm로 조정했고, 이를 연속파로 여기된 세슘 원자가 방출하는 917 nm 신호 광자와 대응시켰다. 두 독립 광원 사이의 스펙트럼 중첩도는 0.88로 측정됐다. 두 시스템은 동기화되지 않은 상태였으며, 삽입 손실을 유발하는 별도의 광 필터링, 주파수 변환, 시간 재성형 과정을 일절 추가하지 않았다는 점이 이번 실험의 차별화된 특징이다.

검증: 홍-우-만델 효과 적용

광자 구별불가능성 검증에는 홍-우-만델(HOM) 효과가 활용됐다. 두 독립 광원의 광자를 빔 분리기에 동시에 입사해 같은 출력 모드로 뭉치는 현상을 관측하는 방식이다. 검출기 타이밍 분해능 보정 후 연속파 여기 조건에서 간섭 가시도 0.65±0.14를 얻었다. 연구팀은 원자 앙상블과 고체 상태 양자점 사이에서 외부 광학 처리 없이 이-광자 간섭을 직접 측정한 첫 사례임을 밝혔다. 문 한섭 교수(부산대)와 김제형 교수(UNIST)가 연구를 이끌었다.

의미와 남은 과제

이번 실증은 비동기 이종 양자 광원들이 추가 손실 없이 상호 운용될 수 있음을 보여준다. 날아다니는 큐비트(flying qubit)를 이종 하드웨어 노드 간에 전달하는 경로를 열었다는 점에서, 하이브리드 양자 중계기 및 분산 양자 컴퓨팅 네트워크 설계에 직접적인 시사점을 제공한다. 다만 가시도 0.65 수준은 이상적인 충실도(1.0)와 여전히 거리가 있으며, 연속파 여기 방식 특유의 시간적 제어 한계도 남아 있다. 실용 수준의 네트워크 통합을 위해서는 가시도 향상과 확장성 검증이 후속 과제로 남는다.