수명 한계에 가까운 단일광자 방출과 전기적 정밀 제어 실현
단일광자(single photons)를 내는 분자를 단일모드 광도파로(waveguide)와 결합한 양자 광자 칩이 개발됐다.
광자를 이용해 정보를 처리하는 광자 기반 양자 프로세서는 계산, 통신, 복잡한 양자 시스템 시뮬레이션 등 다양한 분야에서 큰 잠재력을 보여왔다. 그러나 실제 응용으로 이어지기 위해서는 칩 한 개 위에 다수의 결정론적·동일한 단일광자 소스를 안정적으로 집적하는 기술이 필수적이다.
지금까지 제작된 대부분의 광자 양자 칩은 고체 기반의 단일광자 방출체를 사용하지만, 이들은 스펙트럼 확산(spectral diffusion) 문제—즉 방출 주파수가 임의로 흔들리는 현상—로 인해 수명 한계(lifetime-limited) 전이가 잘 나타나지 않는다. 이는 광자의 색(주파수) 폭이 오직 들뜬 상태의 자연수명에 의해 결정되는 이상적인 조건으로, 서로 구별되지 않는(single indistinguishable) 단일광자들을 칩에서 구현하기 위해 매우 중요하다.
이 한계를 넘어서기 위해, 화중과학기술대(Huazhong University of Science and Technology), 우한양자기술연구소, 저장대(Zhejiang University) 연구진은 새로운 방식의 분자 기반 양자 광자 칩을 선보였다. 이 칩은 단일광자를 내는 분자를 단일모드 광도파로와 직접 통합한 구조로, 관련 연구 결과는 Nature Nanotechnology에 게재되었다.
Xue-Wen Chen 교수는 “이전 연구에서 유기 단일 분자를 단결정 나노시트에 삽입해 광회로와 결합할 경우 매우 안정적이고 수명 한계에 가까운 광방출이 가능하다는 사실을 확인했다”며 “이번 연구는 여러 개의 동일한 단일광자원을 한 칩에서 병렬로 구현하려는 더 큰 목표를 향한 첫 단계”라고 설명했다.
새로운 칩의 특징과 작동 원리
연구팀은 단결정 유기 나노시트 안에 두 개의 독립적인 분자를 심어 서로 구별되지 않는 단일광자 소스 두 개를 구현했다. 두 광원에서 나오는 빛은 양자광학에서 중요한 현상인 홍–오우–맨들(Hong–Ou–Mandel, HOM) 간섭을 보였는데, 이는 두 광자가 사실상 동일함을 의미한다.
Chen 교수는 칩의 구조를 다음과 같이 설명했다. 먼저, 유기 나노시트에 포함된 DBT 형광 분자. 다음으로 실리콘 나이트라이드 기반 포토닉 회로. 마지막으로 금속 마이크로전극. 이 세 요소가 결합된 하이브리드 플랫폼을 이용해 분자의 방향과 위치를 정밀하게 제어하고, 그 빛을 효율적으로 광도파로로 결합시켰다.
특히 이 칩의 중요한 특성은 각 분자의 에너지 준위를 전기적으로 조절할 수 있다는 점이다. 전극에 전기장을 가해 두 개의 분자가 서로 다른 파장에서 방출하더라도 이를 동일한 주파수로 맞춰 서로 완전히 같은 광자를 내게 만들 수 있다.
이렇게 조정된 두 광자는 칩 위의 빔 스플리터로 모이고, 이곳에서 HOM 간섭이 일어난다. 두 광자가 진정한 의미에서 구별 불가능할 경우, 광자는 서로 다른 출력으로 나가지 않고 같은 경로로 합쳐지는(coalescence) 현상을 보인다. 연구팀은 빔 스플리터 양쪽 출력 사이의 상관관계를 측정해 두 광자의 동일성(indistinguishability)을 정량적으로 평가했다.
확장 가능한 양자 광자 프로세서로의 길
이번 성과는 분자 기반 단일광자원을 다수 집적한 대규모 양자 광자 칩 개발 가능성을 열었다. 연구팀은 앞으로 더 많은 채널을 확장하고, 마이크로캐비티 또는 슬로우-라이트(slow-light) 구조를 결합해 빛-물질 상호작용을 강화해 효율까지 높일 계획이다.
Chen 교수는 “이번 첫 발판을 바탕으로 더 큰 규모의 칩 기반 다채널 단일광자원과 양자 간섭을 실현해 궁극적으로 확장 가능한 광자 기반 양자 정보처리 기술을 구축하려 한다”고 강조했다.
앞으로 이러한 기술은 새로운 양자 프로세서와 고도화된 온칩 양자 연산 아키텍처 설계에 중요한 밑거름이 될 것으로 전망된다.
