단일광자 광원 상온에서 구현…큐라드와 제품화 추진

한국표준과학연구원, 220V로 작동하는 19인치 랙형 소형장비 만들어

상온에서 단일광자 광원을 만드는 기술이 한국표준과학연구원(표준연)에 의해 개발됐다. 표준연은 이 기술을 큐라드와 함께 제품화를 추진 중이다.

홍기석 한국표준과학연구원(KRISS) 광도측정그룹 책임연구원 연구팀은 이욱재 공주대 데이터정보물리학과 교수팀과 공동으로 극저온 냉각장치 없이 상온에서 작동하는 단일광자 광원을 19인치 랙형 소형 장비로 구현했다고 18일 발표했다.

한국표준과학연구원 및 큐라드 단일광자개발 연구팀. 앞줄 왼쪽부터 시계방향으로 KRISS 배인호·홍기석 책임연구원,큐라드 이동훈 대표, KRISS 박준호 선임연구원, 임선도 광도측정그룹장.(사진=한국표준과학연구원)

단일광자 광원은 빛 알갱이인 광자를 낱개로 만들어내는 장치. 양자통신·양자센싱·양자측정 등에 쓰인다. 그러나 이 광원은 영하 270도 수준의 극저온 환경, 방 한 칸 규모의 광학 실험대, 숙련 연구자가 필요하다.

연구팀은 질화갈륨 반도체 안에 자연적으로 생기는 미세한 결함을 활용했다. 이 결함에 에너지를 가하면 광자가 하나씩 밖으로 나오지만, 결함은 원자 수준으로 작고 무작위로 흩어져 있어 찾아낸 위치를 반복해서 활용하기 어렵다.

연구팀은 이를 원자 방출 위치를 좌표처럼 기록해, 장비를 껐다 켜도 같은 지점을 자동으로 찾아가는 공간 확정적 맵핑 기술을 개발, 해결했다.

이욱재 교수는 "반도체 표면에 광자를 위쪽으로 유도하는 나노미터 크기의 원형 브래그 격자 구조를 설계·제작해, 결함에서 나온 광자의 추출 효율을 극대화했다"고 설명했다.

플러그앤플레이 형태로 구현한 이 장치는 220 V 일반 전원으로 작동하며, 복잡한 광학 정렬 없이 단일광자를 발생시킨다. 19인치 랙형 구조로 제작돼 기존 양자암호통신(QKD) 장비와 연결이 쉽고, 현장 설치·운용에도 유리하다.

향후 금융·의료·정부망 등 중요 통신 구간 양자암호통신 보안성을 높이는 핵심 광원으로 활용될 수 있다.

연구팀은 현재 스핀오프 기업 큐라드와 공동으로 제품화를 추진 중이다.

홍기석 책임연구원은 “단일광자 광원은 광자 기반 양자기술의 핵심 부품이지만 그동안 극저온 실험실에 묶여 있었다”며 “장비형 광원 현장 활용 문턱을 크게 낮췄다는 데 의미가 있다”고 말했다.

한국표준과학연구원이 개발한 상온 플러그앤플레이 단일광자 광원.(사진=한국표준과학연구원)

이동훈 큐라드 대표는 “양자산업 경쟁력은 핵심 부품을 직접 만들고 안정적으로 공급할 수 있느냐에 달려 있다”며 “향후 더 작고 견고한 제품으로 완성해 국내 기술 기반의 양자광원 공급망을 만들어가겠다”고 밝혔다.

연구결관ㄴ 광학 분야 국제학술지 레이저앤포토닉스 리뷰(IF 9.8)에 게재됐다.