표준연, 전원만 꽂으면 작동하는 상온 단일광자 광원 개발

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국표준과학연구원(KRISS)은 극저온 냉각장치 없이 상온에서 작동하는 단일광자 광원을 19인치 랙형 소형 장비로 구현했다고 18일 밝혔다. 전원만 연결하면 바로 작동하는 플러그앤플레이 방식으로, 연구실에 머물던 양자광원 기술의 현장 활용성을 높였다.

단일광자 광원은 빛 알갱이인 광자를 하나씩 만들어내는 장치로, 양자통신·양자센싱·양자측정 등 광자 기반 양자기술의 출발점이다. 양자통신에서는 광자에 정보를 담아 보내며, 도청 시도가 발생하면 광자 상태가 바뀌어 흔적을 확인할 수 있다.

하지만 기존 단일광자 광원은 영하 270도 수준의 극저온 환경, 방 한 칸 규모의 광학 실험대, 숙련 연구자가 필요해 통신 현장·병원·보안 시설 투입에 한계가 있었다.

연구진은 질화갈륨(GaN) 반도체 기반 단일광자 광원을 상온 플러그앤플레이 장비로 구현했다. 질화갈륨 반도체는 LED와 전력소자 등에 쓰이는 반도체 물질로, 열과 화학적 안정성이 높다.

개발 장치는 220V 일반 전원으로 작동하며, 복잡한 광학 정렬 없이 단일광자를 발생시킨다. 19인치 랙형 구조로 제작돼 기존 양자암호통신(QKD) 장비와 연결이 쉽고, 현장 설치·운용에도 유리하다.

이번 기술의 핵심은 질화갈륨 반도체 안에 자연적으로 생기는 미세한 결함을 활용하는 것이다. 이 결함에 에너지를 가하면 광자가 하나씩 밖으로 나오지만, 결함은 원자 수준으로 작고 무작위로 흩어져 있어 찾아낸 위치를 반복해서 활용하기 어렵다.

연구진은 방출 위치를 좌표처럼 기록해 장비를 껐다 켜도 같은 지점을 자동으로 찾아가는 공간 확정적 맵핑 기술을 개발했다. 공동연구를 진행한 공주대 이욱재 교수팀은 반도체 표면에 광자를 위쪽으로 유도하는 나노미터 크기의 원형 브래그 격자 구조를 설계·제작해 결함에서 나온 광자의 추출 효율을 극대화했다.

이번 성과는 단일광자 광원을 국내 기술로 장비화한 양자 소부장 국산화 사례로, 향후 금융·의료·정부망 등 중요 통신 구간의 양자암호통신 보안성을 높이는 핵심 광원으로 활용될 수 있다고 연구진은 설명했다. 현재 표준연은 스핀오프 기업 ㈜큐라드와 공동으로 제품화를 추진 중이다.

홍기석 책임연구원은 "단일광자 광원은 광자 기반 양자기술의 핵심 부품이지만 그동안 극저온 실험실에 묶여 있었다"며 "이번 성과는 상온에서 쓸 수 있는 장비형 광원으로 현장 활용 문턱을 크게 낮췄다는 데 의미가 있다"고 말했다.

이번 성과의 기반이 된 광자 추출 효율 향상 연구는 표준연 광도측정그룹과 이 교수팀이 공동으로 수행했다. 해당 성과는 광학 분야 국제학술지 레이저 앤 포토닉스 리뷰스(Laser & Photonics Reviews)에 게재됐다.

jongseo12@news1.kr