UNIST, 실리콘 위에서 빛으로 양자정보 처리하는 기술 개발

국내 연구진이 전자소자에 쓰이는 실리콘 기판을 빛을 이용한 양자정보 처리에 활용하는 기술을 개발했다.

UNIST 자연과학부 김제형 교수(사진)팀은 미국 메릴랜드대 에도 왁스(Edo Waks) 교수팀과 공동으로 소자 내에서 빛을 제어하는 '실리콘 광학구조'와 빛을 생성할 '양자점'을 정밀하게 결합한 양자 광소자 핵심 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.

양자정보는 1과 0으로 구분되는 '비트'(bit) 대신 중첩 원리를 이용해 1과 0을 동시에 표현하는 것이 가능한 '양자 비트'를 이용한다. 김 교수팀은 광자를 이용한 양자정보 처리에 집중하고 있다. 빛의 편광이나 시간, 경로 정보 등을 이용하면 전자의 스핀처럼 양자 비트를 구현할 수 있다. 최근에는 양자 물리의 특징인 중첩성, 양자 얽힘, 복사 불가능성 등을 나타내는 '양자광원'이 개발돼 이를 이용한 양자 시뮬레이터나 양자전송, 양자암호와 같은 응용기술이 활발히 연구되고 있다.

김제형 교수는 "광자 기반으로 집적 양자 광소자를 만들려면 하나의 칩 안에서 많은 양자광원을 만들고 제어하는 기술이 필요하다"며 "이번 연구에서는 양자점으로 고효율의 양자광원을 만들고 실리콘 기판으로 빛을 제어하는 길을 만들어 양자 광소자의 기본형을 제시했다"고 설명했다.

연구팀은 인듐 비소/인듐 포스파이드(InAs/InP) 화합물 반도체 기반의 양자점과 빛의 경로를 설계한 실리콘 광학구조를 각각 만들었다. 그런 다음 전자현미경 내에서 양자점을 떼어내 실리콘 광학구조에 정밀하게 결합했다. 이 양자 광소자는 양자점에서 만들어진 빛을 실리콘 광학구조를 따라 효과적으로 전달했으며, 이를 이용해 양자광학 실험에서 가장 기본이 되는 '핸버리 브라운 트위스 간섭 실험'도 실리콘 기판 위에서 성공적으로 구현했다.

김 교수는 "앞으로 실리콘 기판 위에 보다 많은 양자점을 결합하면서 집적성을 높이는 게 목표"라며 "이 기술에 다수의 양자광원에 대한 파장 제어 등의 연구가 추가되면 실질적으로 활용 가능한 양자 광소자 개발로 이어질 것"이라고 전망했다.

이번 연구결과는 국제 학술지 '나노 레터스'(Nano Letters)에 게재됐다.

남도영기자 namdo0@dt.co.kr