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양자 광원 제어 기술개발로 양자컴퓨팅 시대 앞당기다

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양자 광원 제어 기술개발로 양자컴퓨팅 시대 앞당기다

2019.10.03 12:57
김제형 울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 교수팀은 원자 한 개 수준의 두께인 아주 얇은 ′이차원 반도체 물질′과 부분적으로 힘 제어가 가능한 ′실리콘 미세 소자(MEMS)′를 결합해 양자 광원의 위치와 파장을 동시에 제어하는 데 성공했다. UNIST 제공
김제형 UNIST 자연과학부 교수(오른쪽) 연구팀은 원자 한 개 수준의 두께인 아주 얇은 '이차원 반도체 물질'과 부분적으로 힘 제어가 가능한 '실리콘 미세 소자(MEMS)'를 결합해 양자 광원의 위치와 파장을 동시에 제어하는 데 성공했다. UNIST 제공

국내 연구팀이 양자 컴퓨팅과 양자 통신에 사용되는 고효율 양자 광원을 제작하고 제어하는 기술을 개발했다. 양자 광원은 반도체에서 나노 크기의 물질이 불연속적인 전자 에너지 구조를 가지면서 방출하는 광자를 말한다. 
  
김제형 울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 교수팀은 원자 한 개 수준의 두께인 아주 얇은 '이차원 반도체 물질'과 부분적으로 힘을 제어할 수 있는 '실리콘 미세 소자(MEMS)'를 결합해 양자 광원의 위치와 파장을 동시에 제어하는 데 성공했다고 3일 밝혔다. 양자 광원 제어 기술은 양자 컴퓨팅, 양자통신, 양자 계측 등 다양한 양자 기술에 사용할 수 있다.  

 

기존 정보 처리 기술의 핵심이 반도체 집적소자로 다수의 비트를 구현하는 일인 것처럼, 양자 정보 처리 기술에서는 큐비트(양자 정보 처리의 기본 단위)를 생성하고 제어하는 기술이 중요하다. 

 

더 많은 정보를 동시에 처리하려면 더 많은 큐비트가 집적돼야 하고, 큐비트 간 상호작용을 일으키기 위해서는 각 큐비트의 특성이 동일해야 한다. 따라서 광자 기반의 양자 정보 기술을 상용화하려면, 실제 소자 위에 다수의 단일 양자 광원을 동시에 생성하고 제어하는 기술이 필요하다. 

 

이전에는 아주 작은 양자점을 성장시켜 여러 개의 양자광원을 만드는 기술을 사용했다. 하지만 이 경우에는 광원의 위치와 파장을 균일하게 조절하는 데 어려움이 있다.

 

연구팀은 원자층 두께를 갖는 얇은 반도체 물질은 미세한 구조물에 의해 ‘양자화’될 수 있다는 점에 착안했다. 그래서 셀로판테이프를 이용해 얇은 반도체 박막(WSe₂, 텅스텐 디셀레나이드)을 만들고, 이를 미세한 피라미드 구조가 규칙적으로 배열된 실리콘 미세 소자에 연결했다. 그리고 광원의 위치와 파장을 동시에 조절하는데 성공했다. 

 

피라미드 구조의 뾰족한 꼭짓점에 집중된 힘은 반도체 물질의 전자 에너지 구조를 변형시켜 단일 양자광원을 만들어 낸다. 이때 피라미드 구조의 위치를 옮기면 양자 광원의 위치도 자유롭게 바꿀 수 있다. 양자 광원의 파장은 꼭짓점에 집중되는 힘의 크기에 따라 달라지는데 이 힘은 실리콘 미세 소자 외부에서 전기로 제어 가능하므로, 양자 광원의 파장도 원하는 대로 조절할 수 있다.

 

김제형 교수는 "이번 연구결과는 연산 속도와 보안성, 정확성을 기존보다 높일 양자 정보기술 시대를 앞당길 것으로 기대된다"며 "이번 연구가 다수 양자 광원 기반의 양자 광학 연구에 도움이 될 것"이라고 밝혔다.

 

이 연구결과는 국제학술지 '나노 레터스' 온라인판 9월 9일자에 발표됐다.

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