‘Nature Communications’ 誌에 게재
[천지일보 전남=김미정 기자] 국립목포대학교(총장 박민서)가 영국 케임브릿지 대학교 물리학과 연구팀(C.J.Ford 교수, T.K.Hsiao 박사, 정유선 박사)이 주도하고 목포대학교 물리학과 손석균 교수가 공동 저자로 참여한 단일광자 연구 결과가 물리 분야의 권위 있는 학술지 ‘Nature Communications (11, Article No: 917, 2020)’에 지난 14일에 게재됐다고 밝혔다.
아울러 이 기술은 양자 통신 및 양자 계산의 새로운 분야 연구개발에 많은 관심을 가질 것으로 기대돼 국제 물리 과학 소식지 Physics Org에 ‘Producing single photons from a stream of single electrons’라는 제목으로 메인페이지에 소개됐다.
빛의 기본 입자인 단일광자는 수백 킬로미터에 이르는 양자비트(qubit) 정보를 전달할 수 있다는 점에서 양자 기술에 중요한 분야로 여겨져 왔다. 하지만 반도체 분야에서 주로 사용되는 현재 기술들은 소자에서 발생된 단일광자의 에너지(또는 파장)를 예측하기 어려워 양자 네트워크 통합에 큰 어려움을 겪고 있었다.
본 연구팀은 전계효과 트랜지스터(Field effect transistor)를 활용해 비소갈륨 표면에 2차원 전자 영역(Two-dimensional electron gas)과 양공 영역(Two-dimensional hole gas)을 동시에 구현하는 데 성공했으며 표면 탄성파를 활용해 전자 영역에 있는 전자들을 GHz 단위(1억분의 1초)로 양공 영역에 전송해 단일광자를 구현하는 새로운 기술을 개발했다.
이번 연구 결과는 기존에 단일광자 소자에 주로 사용됐던 양자 점 및 다이아몬드 결함을 활용하지 않고 표면 탄성파를 활용해 한 번에 하나의 전자만을 움직여 양공과 재결합함으로써 단일광자를 생성하는 기술을 개발하였다는데 큰 의미를 가지고 있다.
연구에 참여한 손석균 교수는 “본 연구에 활용된 소자는 기존의 소자에 비해 10배가량 더 빠르고 정확한 단일광자를 검출할 수 있음”을 강조했으며 “단일광자 검출을 위해 특수 제작된 광학현미경 개발에 참여할 수 있어서 많은 것을 배웠다”고 전했다.
연구를 지도한 C.J.Ford 교수는 “C.L.Foden의 표면 탄성파를 활용한 단일광자 소자 이론을 실험적으로 구현 가능하게 한 모든 연구진에게 감사의 말씀을 드린다”고 전했다. 이어 “단일광자를 양자비트(qubit)로 사용하는 양자 컴퓨터를 통해 양자 컴퓨팅 네트워크를 향한 큰 도약이 됐다”고 설명했다.
이 연구는 European Union Horizon 2020 research and innovation (Marie Skłodowska-Curie Grant Agreement No. 642688), UK EPSRC (Grant Nox. EP/J003417/1 & EP/H017720/1), Cambridge Overseas Trust, Spanish MICINN, 7th Erupean Community Framework Programme (Marie Curie Intra-European Fellowship, Project no. 235515), Spanish MINECO (Grant RyC-2015018969) 사업의 지원으로 시행됐다.