파더보른·바젤·보훔 연구팀, 반도체 양자점 광자 구별불가능성 60%→90%로 향상

구별불가능성이 중요한 이유

양자정보처리에서 광자는 정보를 전달하는 핵심 매체다. 그러나 실제 응용에서는 복수의 광자가 서로 동일한 물리적 특성을 가져야 한다. 이 성질을 구별불가능성(indistinguishability)이라 부르며, 양자 얽힘과 양자 간섭 현상의 물리적 근간이 된다. 기존 광원은 생성된 광자들이 시간적 상관관계를 갖거나 위상이 어긋나는 문제 때문에 이 수치를 높이는 데 한계가 있었다.

쌍엑시톤 붕괴와 광학 공진기의 결합

연구팀이 채택한 방법은 반도체 양자점에서 일어나는 쌍엑시톤 붕괴(biexciton decay)다. 두 개의 엑시톤이 결합한 분자 상태가 이완하면서 광자 두 개를 차례로 방출하는 이 과정에, 레이저 공진기와 유사한 구조의 광학 공진기를 적용해 붕괴 속도와 방향을 제어했다. 반도체 안의 인공 원자로 볼 수 있는 양자점을 공진기에 내장함으로써 광자 방출 과정 전반을 가속하고 정밀하게 조율한 것이다.

바젤대학교 Richard Warburton 교수 연구그룹이 수년간 축적한 양자점-공진기 상호작용 연구 성과가 이번 실험의 토대가 됐다. 그 결과 공진기 없이 60%에 그치던 구별불가능성이 90%까지 상승했으며, 이 수치는 이론 예측치와도 높은 일치율을 보였다.

광자 순도와 포논 한계

보훔루르대학교 Arne Ludwig 박사 연구팀과의 협력으로 광자 순도(purity) 향상 메커니즘도 규명됐다. 공진기를 활용하면 구별불가능성뿐 아니라 광자 순도도 조절할 수 있지만, 현재 한계 요인은 반도체 결정 격자의 진동, 즉 포논(phonon)으로 확인됐다. 이른바 '공진기 피딩(cavity feeding)'으로 불리는 이 현상은 향후 소자 설계에서 반드시 반영해야 할 변수다. 파더보른대학교 Klaus Jöns 교수 연구그룹은 공진기 피딩을 체계적으로 억제하는 설계 최적화를 통해 순도를 추가로 높일 여지가 있다고 분석했다.

대량 생산 가능성과 남은 과제

반도체 양자점은 대량 생산에 적합한 플랫폼으로 평가받는다. 이번에 달성한 90% 구별불가능성은 유의미한 진전이지만, 오류 허용 양자 네트워크 구현을 위해서는 더 높은 수치가 필요하다는 것이 연구팀의 판단이다. 포논 효과를 억제하는 공진기 설계가 다음 목표가 될 전망이다. 단일 광자 광원 관련 세부 실험 결과는 Physical Review Applied에 편집자 추천 논문으로 별도 발표됐다.