(A) 1차원 광결정 나노공진기와 결합된 단일광자원의 모식도. (B) 나노갭을 이용하여 만든 단일광자원에 광결정 나노공진기가 결합된 구조의 전자현미경 사진. (C) 시간분해 발광 측정 결과. 나노공진기에 의해 단일광자 방출 효율이 2 배 증가했다. (박홍규 고려대학교 물리학과 교수 제공) 2021.02.15 /뉴스1

현재의 암호 통신을 넘어서는 보안성을 가진 양자 암호 통신의 기초가 되는 기술을 국내 연구진이 개발했다.

고려대학교는 박홍규 이과대학 물리학과 교수 연구진이 일리노이대학교(UIUC)의 남성우 교수 연구진과 공동으로 한 번에 하나씩 빛 알갱이(광자)를 방출하고 광특성 조절이 가능한 새로운 단일광자원을 개발했다고 15일 밝혔다. 단일광자원은 한 번에 하나의 광자를 내보낼 수 있는 소자로 양자 암호 통신에서 핵심 기술이다. 현재의 양자 암호 통신은 레이저 펄스를 이용해 빛 알갱이에 '가깝게' 나타나는 현상을 이용해 구현됐다. 문제는 레이저 펄스를 이용할 경우, 양자 암호 통신과 유사하게 통신할 수 있지만, 보안성이 떨어진다는 것.

광자를 하나하나 보내면 정보의 복사가 불가능하고, 도청 시 양자의 상태가 변해 도청자의 존재를 알아챌 수 있는 장점이 있다. 높은 보안성을 가진 통신수단은 군사적·경제적으로 가치 있어 원하는 대로 광자를 제어하는 기술 연구가 활발히 이뤄지고 있다.

연구진에 따르면 최근 원자 수준으로 얇은 2차원 물질에서 자연적·인공적 결함에 의한 양자 구속 효과를 이용해 단일광자를 생성하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 하지만, 단일광자의 발생 위치 및 편광 방향이 무작위이기 때문에 방출 효율이 매우 낮다는 문제점이 있다.연구진은 텅스텐과 셀레늄이 결합한 화합물인 '텅스텐 셀레나이드' 2차원 반도체 물질을 외부의 나노구조체를 이용해 국소적으로 변형을 가해 새로운 단일 광자원을 구현했다. 나노 구조체의 나노갭의 크기에 따라 방출되는 단일광자의 편광 방향을 100% 효율로 제어하는 데도 성공했다.

연구진은 "이번 연구 성과를 통해 새로운 물리적 현상 발견 및 양자정보학의 기초적인 이해를 증진시켰다는데 큰 의의가 있다"며 "위치와 편광 방향이 제어되고 나노공진기와 결합된 단일광자원은 양자 암호 통신에서 온-칩 (on-chip) 양자 광원으로 사용이 가능하다"고 전망했다.

이번에 개발된 새로운 단일광자원 작동 기술은 다른 2차원 물질 전반에도 사용 가능하다. 연구에 쓰인 텅스텐 셀레나이드 외에 다른 물질에도 같은 방법을 적용해 단일 광자원으로 활용할 수 있는 길이 열린 셈이다. 텅스텐 셀레나이드는 영하 270도에서 단일광자원으로서의 특성이 나타났다. 연구진은 작동온도를 끌어 올리기 위해 다른 2차원 물질에서도 같은 방식으로 후속 연구를 진행하고 있다.

이번연구는 정보통신기획평가원(IITP)이 추진하는 정보보호핵심원천기술개발사업 한-미공군 국제공동연구과제와 양자암호통신집적화및전송기술고도화 사업의 지원으로 수행됐다. 연구 성과는 나노기술 분야 저명 국제학술지 '나노레터스'
(Nano Letters)에 게재됐다.


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