부산대·UNIST, 서로 다른 양자광원 연결 길 열어

원자·반도체 양자점 광자 직접 간섭 구현
장거리 양자통신·분산형 센서 응용 기대

부산대·UNIST 공동연구팀이 원자와 반도체 양자점 기반 하이브리드 양자 네트워크 구현에 성공한 연구 개념도.(사진=부산대 제공)

서로 다른 장치에서 만들어진 빛을 하나의 양자 자원처럼 활용할 수 있는 실험 결과가 나왔다. 원자와 반도체 양자점의 장점을 결합하는 하이브리드 양자망 구현에 필요한 연결 기술이 한 단계 진전됐다는 평가다.

부산대학교 물리학과 문한섭 교수와 UNIST 물리학과 김제형 교수 공동연구팀은 세슘 원자 집단과 반도체 양자점에서 각각 생성한 단일광자 사이의 직접 간섭을 구현했다.

연구진에 따르면 원자 기반 광원과 양자점 광원의 직접적인 양자간섭을 확인한 것은 이번이 처음이다.

양자 네트워크는 컴퓨터와 통신장치, 센서를 광자로 잇는 기술이다. 원자 시스템은 정보를 안정적으로 저장하고 주파수를 일정하게 유지하는 데 유리한 반면, 양자점은 단일광자를 빠르고 밝게 만들어내는 강점이 있다.

문제는 두 물리계가 내보내는 빛의 파장과 선폭, 시간 특성이 서로 달라 광자를 구별할 수 없을 정도로 맞추기 어렵다는 점이다.

공동연구팀은 세슘 원자에서 발생한 917.48㎚ 파장의 광자에 인듐비소·갈륨비소 양자점의 방출 파장을 정밀하게 맞췄다. 스펙트럼 특성까지 조절해 손실이 큰 별도 필터나 복잡한 동기화 장치 없이도 두 광원의 중첩도를 높였다.

실험에서는 독립적으로 만들어진 두 광자가 같은 경로로 함께 나가며 동시 검출이 감소하는 '홍-오우-맨델 간섭'이 관측됐다. 이는 서로 다른 장치의 광자가 양자역학적으로 구별되지 않는 상태에 도달했다는 의미다.

연구팀은 이 방식이 양자점에서 빠르게 만든 광자를 원자 기반 장치에서 저장하거나 동기화하는 구조로 이어질 수 있다고 봤다. 장거리 양자통신과 양자중계기, 여러 지역의 센서를 연결하는 분산형 양자계측에도 활용 가능성이 있다.

문한섭 부산대 교수는 "손실이 큰 보정 과정 없이도 원자와 양자점에서 나온 단일광자가 간섭할 수 있음을 확인했다"며 "두 광원의 장점을 결합하면 실질적인 하이브리드 양자 노드 기술로 발전할 수 있다"고 말했다.

이번 연구에는 한국과학기술연구원 송진동 박사 연구진도 참여했다. 성과는 국제학술지 '라이트: 사이언스 앤드 애플리케이션스' 7월 15일 온라인판에 실렸다.

부산=김성욱 기자