빠른 속도와 높은 보안성을 갖는 차세대 정보처리기술로 ‘양자 컴퓨팅’과 ‘양자 통신’이 꼽힌다. 이런 양자 정보기술의 핵심은 고효율 ‘양자 광원(quantum light source)’에 있다. 국내 연구팀이 양자 광원을 생성하고 제어하는 기술을 내놓았다. 원자와 같은 불연속적인 전자 에너지 구조를 갖는 물질은 매 순간 하나의 광자만 생성한다. 반도체에서도 물질의 크기가 수 나노미터(㎚) 크기로 작아지면 물질 내부의 전자 에너지 구조가 불연속적으로 변한다. 이런 성질 변화를 ‘양자화’라 하는데 양자화된 단일 구조에서 방출하는 빛을 단일 광자원(양자 광원)이라 부른다.

유니스트(UNIST) 자연과학부의 김제형 교수는 원자 한 개 수준의 두께를 갖는 아주 얇은 ‘이차원 반도체 물질’과 부분적으로 힘(strain) 제어가 가능한 ‘실리콘 미세 소자(MEMS)’를 결합해 ‘양자 광원’의 위치와 파장을 동시에 제어하는 데에 성공했다. 제어 가능한 다수의 양자 광원은 광자 기반의 양자 컴퓨팅, 양자 통신, 양자 계측 등 다양한 양자 기술에 쓰인다. 이번 연구결과는 연산 속도와 보안성, 정확성을 기존보다 높일 양자 정보기술 시대를 앞당길 것으로 주목받고 있다.

양자 광원은 전자 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 비트(bit)보다 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 한다. 큐비트 간 상호작용을 일으키기 위해서는 각 큐비트의 특성이 같아야 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 성장시켜 여러 개의 양자 광원을 만드는 기술을 사용했다. 이 경우 광원의 위치와 파장을 균일하게 조절하는 데 어려움이 있다. 연구팀은 스카치테이프를 이용해 얇은 반도체 박막(WSe₂, 텅스텐 디셀레나이드)을 만들고 이를 피라미드 구조가 규칙적으로 배열된 실리콘 MEMS 소자(chip)에 연결하는 방법을 이용해 광원의 위치와 파장을 동시에 조절하는 데 성공했다. 원자층 두께를 갖는 얇은 반도체 물질은 미세한 구조물(피라미드)에 의해 ‘양자화’될 수 있다는 점에 착안한 것이다.

피라미드 구조의 뾰족한 꼭짓점에 집중된 힘은 반도체 물질의 전자에너지 구조를 변형시켜 단일 양자 광원을 만들어 낸다. 즉 피라미드 구조의 위치를 옮기면 양자 광원의 위치도 자유롭게 바꿀 수 있다. 양자 광원의 파장은 꼭짓점에 집중되는 힘의 크기에 따라 달라지는 데 이 힘은 실리콘 MEMS 소자 외부에서 전기로 제어 가능하므로 양자 광원의 파장도 원하는 대로 조절할 수 있다.

김제형 교수는 “반도체 기반 양자 광원의 위치와 파장을 제어하는 기술이 많이 제시됐는데 이를 하나의 소자 내에서 동시에 제어하는 기술은 난제로 남았다”며 “이번 연구가 다수 양자 광원 기반의 양자 광학 연구에 도움이 될 것”이라고 전했다.

연구결과는 국제 학술지 나노 레터스(Nano Letters) 9월 9일자 온라인 속보(논문명: Position and frequency control of strain-induced quantum emitters in WSe₂ monolayers)로 실렸다.