염동일 교수(왼쪽)과 최중석 연구원
염동일 교수(왼쪽)과 최중석 연구원

[헤럴드경제(수원)=박정규 기자]아주대 염동일 교수(물리학과, 에너지시스템학과) 연구진이 한국표준과학연구원 연구팀과 함께 2차원 반데르발스(van der Waals) 물질 기반 통신대역 광섬유 양자얽힘 광원을 개발하는 데 성공했다고 18일 밝혔다.

새롭게 개발한 광섬유 기반 양자광원은 기존 광통신 네트워크와 직접 연결 가능해 차세대 양자통신, 양자센서 및 양자컴퓨팅 기술의 핵심 기반이 될 것으로 기대된다.

양자통신과 양자컴퓨팅은 정보를 전달하는 기본 단위로 ‘광자(photon)’를 사용한다. 특히 두 광자가 하나의 양자상태를 공유하는 양자얽힘(quantum entanglement)은 해킹이 원천적으로 불가능한 양자암호통신과 발열 및 오류 수정에 필요한 분산형 양자컴퓨팅을 가능하게 하는 핵심 자원이다.

기존의 양자얽힘 광원은 부피가 크고 매우 민감한 광학 정렬이 필요하며, 광섬유 기반 광통신 네트워크와 결합 손실이 크다는 단점이 있다. 또한 광섬유 자체에서 발생하는 양자얽힘 광원이 제안되기도 하였으나 필요한 광섬유의 길이가 길고 잡음이 없는 고품질의 양자상태를 확보하는 데 어려움이 있는 등 현실적인 한계가 있었다.

연구팀은 이를 극복하기 위해 매우 강한 2차 비선형 광특성을 가진 반데르발스 신소재(SnP₂S₆)를 광섬유에 직접 결합한 광소자를 제안했다. 연구진이 활용한 SnP₂S₆ 물질은 수 마이크로미터(μm, 1,000분의 1mm) 두께에서도 근적외선 비선형 광신호 발생이 두드러져, 이를 결합한 광섬유 소자에서 상용 광통신 표준 대역(1,550나노미터(nm)) 얽힘 광자쌍을 세계 최초로 보고할 수 있었다. 이는 기존 광통신망과의 연결이 용이하고 별도의 복잡한 광학 정렬 없이도 안정적으로 동작하는 차세대 광섬유 양자소자의 가능성을 제시했다는 점에서 주목받고 있다.

2차원물질-광섬유 결합소자에서 양자얽힘 광자쌍 발생 개념도.[아주대 제공]
2차원물질-광섬유 결합소자에서 양자얽힘 광자쌍 발생 개념도.[아주대 제공]

개발된 소자는 성능 측정에서도 우수한 기록을 입증했다. 생성된 광자의 순도와 품질을 나타내는 ‘CAR(동시 선택 대 우연 선택 비율, Coincidence-to-Accidental Ratio)’ 값이 기존 2차원 물질 기반 광원 대비 100배 월등한 성능을 보였다. 또한 양자 상태를 측정하는 토모그래피 기술을 통하여 생성된 광자가 ‘Fidelity(신뢰도)’와 ‘Purity(순도)’가 최대 0.97(1에 가까울수록 완전한 얽힘)을 기록해 고품질의 편광(Polarization) 양자얽힘 상태 형성을 검증하기도 했다.

염동일 교수는 “실제 다양한 시스템에 적용할 수 있도록 소자 성능을 향상시키는 연구가 진행 중이며, 앞으로 양자암호통신, 양자센서 및 분산형 양자컴퓨터 등 다양한 양자 기술 분야에 활용될 것으로 기대된다”라고 말했다.

연구는 아주대 염동일 교수 및 최중석 연구원이 각각 교신저자 및 제1저자로 참여했다. 또 한국표준과학연구원 이상민, 박희수, 하성주 박사가 공동교신저자 및 공동 제1저자로 참여했다다. 이번 연구는 세계적인 재료과학 분야 학술지인 ‘Advanced Science’에 7월 온라인 게재됐다.


fob140@heraldcorp.com