Special 국가전략산업 양자 기술 개발 동향 및 산업응용 전망(2)

집적 양자 소자 위한 양자 광원 플랫폼

고영호_한국전자통신연구원 양자센서연구실 기술총괄/책임연구원

1. 서론

양자 광원은 전자기파의 양자화를 통해 기술 가능한 비고전광(non-classical light)으로 양자 컴퓨팅·통신·센싱 등 양자 기술 전 영역의 핵심 요소이다. 2017년 중력파 검출로 노벨 물리학상을 수상한 레이저 간섭 중력파 관측(LIGO: laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)에서 압축광(squeezed light)을 통하여 고전적 샷노이즈 한계를 뛰어 넘는 고감도 검출을 구현하였고[1], 2022년 노벨 물리학상은 얽힘 광자의 실험적 입증을 기려 “양자 상태의 빛”의 중요성을 재확인했다[2]. 현재 양자 컴퓨팅 기술 성숙도가 빠르게 상승하고 있는데, 다양한 큐비트(Qubit) 플랫폼 후보군 중에서도 특히 광자 기반 기술은 Quandela, PsiQuantum, Xanadu 등 산업계에서 광자 플랫폼을 앞세워 상용화를 추진 중이다[3-5].

2000년대의 관심사는 양자 광원을 광자 한 개씩 순수하게 만들 수 있는가, 얽힘쌍을 신뢰성 있게 만들 수 있는가였다면, 최근의 핵심은 이를 실제 활용하기 위해서 확장하고, 칩 수준으로 개발하여 실제 시스템으로 구현하는 것에 집중되어 있다. 즉, 단일 광자나 얽힘 광자쌍 광원, 압축광 등이 칩 수준으로 개발 진행중이며, 양자 광원 등을 도파로, 필터, 변조, 주파수 변환, 단일광자 검출기와 함께 통합하는 양자 포토닉 집적회로 등의 노력을 말한다[6].

이를 위한 효과적인 전략이 양자 광원과 결합된 집적 양자 소자이다. 이를 위한 양자 광원 플랫폼은 양자점, 고체 점결함, 2차원 나노 소재 등의 단일 방출체와 자발매개하향변환, 사광자혼합 등을 이용한 비선형 양자 광원이 있다. 그리고 집적 광학 플랫폼은 Si, SiNx 등의 실리콘 포토닉스, LiNbO3(LN: lithium niobate), AlGaAs, Ta₂O₅ 등이 있다. 양자 광원과 광학 플랫폼 등의 결합, 집적을 통해 양자 상태의 생성–조작–변환–검출을 구현하고, 전체 효율의 고도화를 위한 설계 및 제작, 스케일업이 관건으로 떠오르고 있다[7].

본고에서는 2019년 선행 보고서를 토대로 최근 기술 위주로 양자 광원 기술을 설명 및 최신 동향을 소개한다[8]. 더불어 집적 양자 소자를 위한 집적 양자 광학 플랫폼 기술 소개와 함께 시스템 관점에서 양자 기술 응용 사례를 소개한다. 이를 통해 집적 양자 소자 생태계의 현재 위치와 앞으로의 방향을 보고자 한다.

2. 양자 광원 분류와 성능 지표

양자 광원은 고전적 광원과 구별되는 통계, 상관관계를 지닌 빛을 생성하는 것을 의미한다. 광자를 기술하는 방식으로 분류하면 크게 광자수 기반으로 기술하는 이산 변수(DV: Discrete Variable)인 단일/얽힘 광자와 한 성분의 불확정성을 줄인 압축광 상태를 기술하는 연속 변수(Continuous Variable)로 분류할 수 있다.

생성 메커니즘을 기준으로 분류하면 (1) 확정적 생성 방식인 단일 방출체와 (2) 확률적 생성 방식인 비선형 광원으로 구분된다. 단일 방출체 기반 양자 광원은 반도체 양자점, 고체 컬러 센터(점결함), 2차원 또는 나노 소재 기반 결함 등이 가능하다. 비선형 기반 양자 광원은 2차 비선형 (χ(2))기반 자발매개하향변환(SPDC: (Spontaneous Parametric Down-Conversion)에 유리한 비선형 물질(BBO/PPLN/PPKTP/AlGaAs)과 3차 비선형(χ(3)) 기반 자발사광자혼합 (SFWM: Spontaneous Four-Wave Mixing)에 유리한 비선형 물질(Si/SiNx)로 생성 가능하다.

그림 1. 단일 방출체 기반 양자 광원 플랫폼.

Liu, Shunfa, et al. "A deterministic quantum dot micropillar single photon source with> 65% extraction efficiency based on fluorescence imaging method." Scientific Reports 7.1 (2017): 13986. (CC BY 4.0), J. Wang. et al., “Bright room temperature single photon source at telecom range in cubic silicon carbide” Nat. Communications, 9, (2018), 4106. (CC BY 4.0), Grosso, Gabriele, et al. "Tunable and high-purity room temperature single-photon emission from atomic defects in hexagonal boron nitride." Nature communications 8.1 (2017): 1-8. (CC BY 4.0)

그림 2. 비선형 양자 광원 (SPDC, SWFM) 생성 원리.

고영호 외 “양자 정보 기술을 위한 양자 광원 연구 동향,” Electronics and Telecommunications Trends 34(5), 99 (2019).

-----이하 생략

<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2025년 9월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>