UNIST 연구진이 전기 신호로 작동시키면서도 광자 에너지의 흔들림을 줄인 단일양자광원을 구현했다. 단일광자를 정보 단위로 쓰는 양자기술에서 광자 에너지의 안정성은 핵심 조건인데, 이번 연구는 전기적 제어와 광원 순도를 함께 확보할 수 있는 구조를 제시했다.

UNIST는 23일 물리학과 남궁선·김제형 교수팀이 스타크 효과를 억제한 2차원 반도체 기반 고순도 단일양자광원을 개발했다고 밝혔다. 관련 연구 결과는 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 3월 11일 온라인 게재됐다. 이번 연구에는 사티아브라트 베헤라 연구원과 문종성 연구원이 제1저자로 참여했다.

단일양자광원은 매우 짧은 순간 광자를 하나씩 방출하는 광원이다. 양자컴퓨팅이나 양자암호통신에서는 이 단일광자가 정보의 최소 단위로 활용된다. 다만 광원을 켜고 끄기 위해 전압을 가하면 방출되는 광자의 에너지가 달라지는 스타크 효과가 발생할 수 있는데, 이 경우 광자 간 간섭이 어려워져 양자정보 처리 성능이 떨어질 수 있다.

연구팀은 이를 줄이기 위해 뾰족한 실리콘 나노 피라미드 위에 2차원 반도체 물질인 텅스텐 디셀레나이드(WSe₂)를 올리고, 실리콘과 반도체 사이에 미세한 공기층이 형성되도록 설계했다. 이 공기층은 반도체에 전달되는 전기장을 주변부의 약 20분의 1 수준으로 낮춰 광자 에너지 변화를 줄이는 역할을 한다. 여기에 고품질 절연층을 더해 주변 결함에서 생기는 배경 발광도 함께 억제했다.

광원 순도도 개선됐다. 연구 결과 단일광자 방출 특성을 나타내는 확률값은 0.06 수준으로 측정됐다. 일반적으로 이 값이 0.5 이하이면 단일양자광원으로 분류되며, 0에 가까울수록 한 번에 하나의 광자만 방출할 가능성이 높다는 의미다. 연구팀은 절연층이 배경 발광을 줄이면서 순도 향상에도 기여한 것으로 보고 있다.

이번 성과는 실리콘 반도체 공정과의 호환성을 바탕으로 칩 기반 양자통신, 광자 양자컴퓨팅, 양자광학 센서 개발에 활용될 가능성을 보여준다는 점에서 의미가 있다. 개별 광원의 성능 개선에 그치지 않고, 여러 광원을 하나의 칩 위에 집적해야 하는 양자소자 개발의 기반 기술로 이어질 수 있다는 평가다.