이다예 ▲ (왼쪽부터) UNIST 자연과학부 문종성·김효주 연구원, 김제형 교수. 울산과학기술원 제공. ▲ 제어 가능한 반도체 양자 광소자 모식도. 울산과학기술원 제공. 차세대 정보처리 기술의 핵심인 ‘양자 광원’을 보다 빠르고 정확하게 사용할 수 있는 기술이 개발됐다. 울산과학기술원(UNIST)은 자연과학부 김제형 교수팀이 아주 얇은 ‘이차원 반도체 물질’과 부분적으로 힘 제어가 가능한 ‘실리콘 미세 소자’를 결합해 ‘양자 광원’의 위치와 파장을 동시에 제어하는 데 성공했다고 3일 밝혔다. 양자 광원은 전자의 스핀이나 초전도 전류처럼 양자 정보 처리의 기본 단위인 ‘큐비트’(Qubit)를 구현할 수 있다. 큐비트는 양자 상태에서 1과 0이 중첩되거나 얽히면서 정보를 표현하는 단위로, 0과 1로 정보를 표현하는 기존 정보 처리의 단위인 비트보다 발전된 개념이다. 기존 정보 처리 기술의 핵심이 다수의 비트를 구현하는 ‘반도체 집적소자’이듯, 실용성 높은 양자 정보 처리를 위해서는 큐비트를 생성하고 제어하는 기술이 핵심이다. 더 많은 정보를 동시에 처리하기 위해서는 더 많은 큐비트가 집적돼야 하고, 큐비트 간 상호작용을 일으키기 위해서는 각 큐비트의 특성이 동일해야 한다. 따라서 광자(빛) 기반의 양자 정보기술을 상용화하려면, 실제 소자(chip) 위에 다수의 단일 양자 광원을 동시에 생성하고 제어하는 기술이 필요하다. 기존에는 아주 작은 양자점을 성장 시켜 양자 광원 여러 개를 만드는 기술을 사용했는데, 이때 광원의 위치와 파장을 균일하게 조절하는 데 어려움이 있었다. 이에 연구진은 스카치테이프를 이용해 얇은 반도체 박막을 만든 뒤, 이를 피라미드 구조가 규칙적으로 배열된 실리콘 미세 소자에 연결하는 방법을 이용해 광원의 위치와 파장을 동시에 조절하는 데 성공했다. 원자층 두께를 갖는 얇은 반도체 물질은 미세한 구조물(피라미드)에 의해 양자화될 수 있다는 점에 착안한 것이다. 피라미드 구조의 뾰족한 꼭짓점에 집중된 힘은 반도체 물질의 전자에너지 구조를 변형시켜 단일 양자광원을 만들어 낸다. 즉 피라미드 구조의 위치를 옮기면 양자 광원의 위치도 자유롭게 바꿀 수 있다. 양자 광원의 파장은 꼭짓점에 집중되는 힘의 크기에 따라 달라지는데 이 힘은 실리콘 MEMS 소자 외부에서 전기로 제어 가능하므로, 양자 광원의 파장도 원하는 대로 조절할 수 있다. 양자광원을 쉽게 제어하게 되면 광자 기반의 양자 컴퓨팅, 양자 통신, 양자 계측 등 빠른 연산 속도와 높은 보완성을 갖는 차세대 정보처리기술인 다양한 양자 기술에 활용할 수 있다. 김제형 교수는 “이번 연구가 다수 양자 광원 기반의 양자 광학 연구에 도움이 될 것”이라며 “반도체 기반 양자 광원의 위치와 파장을 제어하는 기술이 많이 제시됐지만, 이를 하나의 소자 안에서 동시에 제어하는 기술은 난제로 남았다”고 밝혔다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 신진연구사업, 정보통신기획평가원 IT·SW융합산업원천기술개발 사업을 통해 이뤄진 이번 연구결과는 세계적인 학술지 나노 레터스(Nano Letters) 9월 9일자 온라인판으로 게재됐다.
울산과학기술원(UNIST)은 자연과학부 김제형 교수팀이 아주 얇은 ‘이차원 반도체 물질’과 부분적으로 힘 제어가 가능한 ‘실리콘 미세 소자’를 결합해 ‘양자 광원’의 위치와 파장을 동시에 제어하는 데 성공했다고 3일 밝혔으며, 차세대 정보처리 기술의 핵심인 ‘양자 광원’을 보다 빠르고 정확하게 사용할 수 있게됨에 따라 광자 기반의 양자 컴퓨팅, 양자 통신, 양자 계측 등 다양한 양자 기술에 활용될 것으로 전망된다.