KRISS, 상온 작동 단일광자 소스 19인치 랙 장치로 구현

극저온 의존에서 상온 구동으로

단일광자 소스는 광자를 한 번에 하나씩 방출하는 장치로, 양자통신·양자센싱·양자계측의 핵심 입력 요소다. 그러나 지금까지 상용 수준의 단일광자 소스는 절대영도에 가까운 극저온 냉각 장비와 대형 광학 테이블, 그리고 숙련된 연구 인력을 요구해 실제 현장 배치가 사실상 불가능했다.

KRISS가 이번에 내놓은 장치는 질화갈륨(GaN) 반도체를 기반으로 하며, 220V 일반 전원으로 구동된다. 19인치 랙 규격을 채택해 기존 양자키분배(QKD) 장비와 물리적으로 연동하기 쉽고, 금융·의료·정부 기관 등 현장 설치 환경에 맞게 설계됐다.

핵심 기술: 결함 위치의 결정론적 매핑

GaN 반도체 내부에는 에너지를 가하면 광자를 단일 단위로 방출하는 원자 규모의 결함이 자연적으로 존재한다. 문제는 이 결함들이 무작위로 분포해 있어, 한 번 확인한 발광 지점을 재현성 있게 다시 찾기 어렵다는 점이었다. KRISS는 각 발광 지점의 위치 정보를 좌표 형태로 기록하고 장치 재가동 후에도 동일 지점으로 자동 복귀하는 결정론적 공간 매핑 기술을 개발해 이 문제를 해결했다.

광자 추출 효율을 높이는 작업은 공주대학교 이욱재 교수 연구팀이 담당했다. 연구팀은 반도체 표면에 나노미터 단위의 원형 브래그 격자(CBG)를 설계·제작해 결함에서 방출된 광자가 위쪽 방향으로 집중되도록 유도했다.

국산화 전략과 상용화 경로

이번 성과는 단순한 연구 결과를 넘어 양자 핵심 부품의 국내 자립화라는 맥락에서 해석된다. KRISS는 스핀오프 기업 QRAD Inc.와 공동으로 상용화를 추진 중이며, 제품 소형화 및 내구성 강화를 목표로 하고 있다.

국제적 신뢰성 확보 측면에서는 독일 PTB, 이탈리아 INRIM 등 해외 도량형 기관과의 비교 측정 및 검증, EU Horizon 프로젝트 공동 연구를 병행하고 있다. KRISS는 단일광자 소스 품질 검증부터 개발·개선까지 연계하는 원스톱 양자광 플랫폼을 국내에서 유일하게 운영한다고 밝혔다.

기술적 한계와 과제

현 단계에서 GaN 기반 단일광자 소스의 광자 순도와 안정성이 극저온 기반 소스와 동등한 수준인지는 원문에서 구체적으로 비교되지 않았다. 플러그앤플레이 구현에 성공했다는 점은 의미 있지만, 실제 QKD 시스템 통합 시 요구되는 광자 충실도 및 방출 반복률 등 성능 지표에 대한 독립적 검증이 상용화 전 필요한 단계로 남는다.