전압을 가해 제어하면서도 광자 에너지를 안정적으로 유지하는 단일 양자광원이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 칩 기반 양자컴퓨팅·양자암호통신 기술 구현에 한 걸음 다가섰다는 평가다.

울산과학기술원(UNIST) 물리학과 남궁선·김제형 교수팀은 스타크 효과(Stark Effect)를 억제한 2차원 반도체 기반 고순도 단일 양자광원을 개발했다고 23일 밝혔다.

단일 양자광원은 나노초 단위의 짧은 순간에 광자 하나만을 방출하는 광원으로, 이 단일 광자를 정보의 최소 단위로 활용해 양자컴퓨팅이나 양자암호통신에 응용할 수 있다.

문제는 광원을 켜고 끌 때 가하는 전압이 광자의 에너지를 바꿔버리는 스타크 효과였다. 광자 에너지가 달라지면 서로 다른 광자로 구별돼 간섭 등 양자 현상이 제대로 일어나지 않기 때문이다. 여러 광원이 집적된 칩 환경처럼 전압이 불안정한 조건에서는 이 문제가 더 심각하다.

연구팀은 뾰족한 실리콘 나노 피라미드 위에 2차원 반도체 물질인 텅스텐 디셀레나이드(WSe₂)를 올려 그 사이에 미세한 공기층을 형성하는 방식으로 이를 해결했다.

공기층은 2차원 반도체에 전달되는 전기장을 주변부의 약 20분의 1 수준으로 줄여 광자 에너지 변화를 차단한다. 순도도 개선돼 다중 광자 동시 방출 확률값이 0.06으로 나타났다. 0.5 이하면 단일 양자광원으로 간주되며 0에 가까울수록 순도가 높다.

이번 연구에는 사티아브라트 베헤라(Satyabrat Behera)·문종성 연구원이 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 국제 학술지 나노 레터스(Nano Letters)에 3월 11일 온라인 게재됐다.

공동 연구팀은 "실리콘 반도체 공정과 호환돼 앞으로 칩 기반 양자통신, 광자 양자컴퓨팅, 양자 광학 센서 개발에 직접 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.