TUM, 광자결정 도파로로 단일광자원 효율 3배 향상

기존 공진기 방식의 한계

양자통신 구현에는 단일광자를 안정적으로 생성하는 기술이 필수다. 지금까지 주류를 이뤄온 공진기(resonator) 방식은 광자원이 특정 주파수에서 더 많은 빛을 방출하도록 유도하는 원리를 사용한다. 그러나 공진기는 작동 가능한 주파수 범위가 매우 좁고, 각 광자원에 맞춰 정밀하게 조율해야 하는 부담이 따른다. 여러 광자원을 하나의 소자 안에 통합하기도 어렵다는 구조적 제약도 있다.

역발상: 원하지 않는 주파수를 억제

TUM·MCQST 연구팀은 공진기와 정반대의 접근법을 택했다. 원하는 주파수를 증폭하는 대신, 불필요한 주파수의 방출 경로 자체를 차단하는 것이다. 이를 위해 연구진은 광자결정 도파로(photonic crystal waveguide)를 활용했다. 이 나노 구조체는 주기적으로 배열된 패턴을 이용해 광자원이 빛을 방출할 수 있는 경로를 선택적으로 봉쇄한다. 설계를 통해 원하지 않는 주파수만 억제하고 목표 주파수는 보존하는 방식이다.

성능 검증과 erbium 활용

초기 실험에서 연구팀은 광통신 기술에서 이미 상용화된 원소인 erbium을 광자원으로 사용했다. 그 결과 방출되는 빛 중 원하는 광자의 비율이 약 23%에서 약 72%로 상승했다. 이는 기존 공진기 방식으로 달성하던 수준과 유사한 성과이며, 구조적 복잡도는 오히려 낮다. 또한 광자결정 도파로를 사용하면 광자 생성 속도가 다소 느려지는데, 연구팀은 이를 단점이 아니라 광자 특성 제어 측면에서 유리한 특성으로 평가했다.

확장성과 유연성

광자결정 도파로는 공진기보다 물리적으로 여유 공간이 크고 동작 대역폭도 넓다. 이 덕분에 하나의 소자 안에 여러 광자원을 동시에 수용할 수 있고, 목표 주파수를 광자원별 정밀 조율 없이도 비교적 자유롭게 선택할 수 있다. 공진기 기반 소자가 갖는 확장성 병목을 해소할 수 있는 구조적 이점이다.

양자 네트워크 인터페이스로의 전망과 과제

이번 연구는 양자 시스템과 광섬유 전송 사이를 잇는 인터페이스 기술의 기반을 마련했다는 평가를 받는다. 다만 실험은 erbium 단일 원소를 대상으로 한 초기 검증 수준이며, 다양한 광자원과 실제 네트워크 환경에서의 성능 확인은 이후 과제로 남아 있다. 소자 제작 공정의 재현성과 장거리 전송 환경에서의 안정성 검증도 상용화 이전에 필요한 단계다.