Special 국가전략기술 양자소재 및 양자기술 개발 동향

이차원 재료 기반 양자 방출체 연구개발 동향

김영덕_경희대학교 물리학과 부교수

문효원_한국과학기술연구원 양자기술연구단 선임연구원

1.    서론

그동안 양자기술이란 매우 어렵고 이해할 수 없는 신비한 기술의 대명사처럼 여겨져 왔으나, 최근 세계 유수의 대기업에서 양자컴퓨터와 양자통신을 연구하는 등 양자기술의 상용화에 대한 관심이 급증하고 있다. '양자(Quantum)'란 물질의 최소 단위인 원자, 전자, 광자 등을 포함하는 개념으로, 이들은 미시세계에서 중첩, 얽힘 등 고전적인 물리법칙으로 설명하기 어려운 특이한 현상들을 나타낸다. 

  이러한 특성을 활용한 기술을 양자기술이라 하며, 이를 통해 현존하는 최고 성능의 슈퍼컴퓨터보다 신속한 계산 처리나 물리적으로 보안이 보장되는 통신 프로토콜 개발이 가능함이 알려져 있다. 이에 따라 세계 주요 국가들에서 양자기술에 대한 투자를 서두르고 있으며, 대한민국 또한 양자정보 기술을 국가 핵심 전략 기술로 선정하고 관련 연구를 적극적으로 지원하고 있다. 이 기고에서는 양자기술의 핵심 요소 중 하나로 개별 광자를 생성하는 양자 방출체 (Quantum emitter)에 대해 살펴보고, 다양한 가능성을 보여주는 이차원 소재 내 양자 방출체의 특성, 최신 연구 동향 및 향후 발전 가능성에 대해 논의하고자 한다.

2.    양자 방출체 

양자 방출체 (Quantum emitter)란 문자 그대로 개별 양자를 차례로 방출할 수 있는 물체를 뜻하며, 일반적으로는 빛의 최소 단위 입자인 광자 (photon)을 한 번에 하나씩 내보내는 시스템을 의미한다. 비슷한 의미로 양자 광원 (quantum light source) 또는 단광자 광원 (single photon source)로 불리기도 한다. 원자, 이온, 전자 등 다양한 종류의 양자 중에서 광자가 지니는 특별함은 바로 그 이동 속도이다. 널리 알려진 바와 같이, 광자는 빛의 속도로 이동하며 이는 일반적인 양의 질량을 가진 어떤 물체도 따라올 수 없는 가장 빠른 속도이다. 장거리에서의 데이터 전송이 대부분 빛을 이용한 광통신으로 이루어지는 것에서 유추할 수 있듯이, 광자에 포함되어 있는 양자 정보는 다른 어떤 물리계에 비해서도 빠르게 이동할 수 있어 양자 정보 전송 측면에 있어서 매우 중요하다고 할 수 있다 [1]. 다만 일반적인 레이저 등으로 이루어지는 광통신에서는 하나의 펄스 내에 매우 많은 광자가 포함되어 전송되므로 개별 광자 내의 양자정보에 접근하는 데에는 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 양자 방출체가 필요하며, 양자 방출체는 대부분 바닥 상태와 여기 상태가 단 하나씩 존재하는 시스템으로 이루어져 바닥 상태의 전자가 외부의 빛 또는 전기적 에너지로 여기 상태로 들뜬 후에는 이미 시스템이 포화되어 추가적은 여기 상태 전자가 생성되지 않는다. 따라서 여기된 단 하나의 전자가 바닥 상태로 다시 전이되며 광자를 하나만 방출하게 되어, 한 번에 단 하나의 광자만을 내보내는 양자 방출체를 형성한다. 

그림 1. 양자 방출체에서 발생된 단광자들의 특성을 파악하는 한버리-브라운 트위스 (Hanbury-Brown Twiss) 셋업. BS: 빔분배기, SPD: 단광자검출기, TCSPC: 시간-관계 단광자 계수기. Inset: 측정된 단광자 광원의 예시 [2]

    백열등 또는 레이저 등의 고전 광원 (classical light sources)과 양자 방출체 구분하는 방법 중 가장 간단한 방법은 한버리-브라운 트위스 (Hanbury Brown-Twiss) 셋업을 이용하는 것이다. 이 실험을 위해서는 그림 1과 같이 하나의 광분배기 (BS: beam splitter), 두 개의 단광자 검출기 (SPD: single photon detector), 그리고 각 검출기의 광자 검출 여부를 시간에 따라 상관시킬 수 있는 시간-관계 단광자계수기(TCSPC: Time Correlated Single Photon Counting)가 필요하다 [2]. 광자는 더 이상 나눌 수 없는 빛의 최소 알갱이이므로, 50/50 광분배기를 광자가 통과할 때 광자가 절반으로 나누어지는 대신 절반의 확률로 투과하거나 반사되어 두 검출기 중 하나에만 도달하게 된다. 이때, 광경로차나 광자 도달 시간을 변화시키며 두 검출기에서 광자가 동시에 검출될 확률 (이차 상관 함수)을 측정할 수 있다. 고전 광원에서는 한 번에 방출되는 광자의 개수가 여러개이므로 지연시간(time delay)이 0일 때의 동시 검출 확률 (g(2)(0))이 존재하지만 양자 방출체에서 나온 이상적인 단광자의 경우 동시 검출 확률이 0이 되어 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이를 양자 광원의 순수도(purity)로 정의할 수 있으며, 외부의 광잡음, 검출기의 암전류 등으로 인해 이 값이 영향을 받을 수 있다. 

    양자 광원의 실제 응용을 위해서는 생성된 개별 광자들의 특성이 시간에 따라 일정하게 유지되는 것이 중요하다. 이는 양자 중첩 및 간섭 현상이 발생하려면 광자들이 구분 불가능한(indistinguishable) 상태여야 하기 때문이다. 구분 불가능한 상태란 광자들의 파장, 편광, 공간 모드 등이 모두 동일해야 함을 의미한다. 만약 두 구분 불가능한 광자가 그림 1의 광분배기에서 두 입력 포트로 동시에 들어간다면, 이들 사이에서 간섭이 일어나 두 광자는 같은 출력 포트로만 나가게 된다. 이 현상은 HOM(Hong-Ou-Mandel) 실험으로 잘 알려져 있으며, 이를 통해 다양한 양자 간섭 및 얽힘 실험을 진행할 수 있다.

그림 4. 이차원 반도체 물질 내 국소적 인장력을 이용한 양자 방출체 형성 예시 [11] . 이를 통해 대면적 양자 광원 어레이를 쉽게 제작 가능하다.

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