목포대학교(총장 박민서)는 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 물리분야의 권위 있는 학술지 ‘Nature Communications (11, Article No: 917, 2020)’에 지난 2월 14일에 게재되었다고 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 메인 페이지에 소개됐다.
빛의 기본 입자인 단일 광자는 수백 킬로미터에 이르는 양자 비트(qubit) 정보를 전달할 수 있다는 점에서 양자 기술에 중요한 분야로 여겨져 왔다. 하지만 반도체 분야에서 주로 사용되는 현재 기술들은 소자에서 발생된 단일 광자의 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 성공하였으며 표면 탄성파를 활용해 전자 영역에 있는 전자들을 GHz 단위(1억분의 1초)로 양공 영역에 전송하여 단일 광자를 구현하는 새로운 기술을 개발했다.
이번 연구 결과는 기존에 단일 광자 소자에 주로 사용되었던 양자 점 및 다이아몬드 결함을 활용하지 않고 표면 탄성파를 활용해 한 번에 하나의 전자만을 움직여 양공과 재결합함으로써 단일 광자를 생성하는 기술을 개발하였다는 데 큰 의미를 가지고 있다.
본 연구에 참여한 손석균 교수는 “본 연구에 활용된 소자는 기존의 소자에 비해 10배가량 더 빠르고 정확한 단일 광자를 검출할 수 있음”을 강조하였으며 “단일 광자 검출을 위해 특수 제작된 광학현미경 개발에 참여할 수 있어서 많은 것을 배웠다”고 전했다.
본 연구를 지도한 C. J. Ford 교수는 “C. L. Foden의 표면 탄성파를 활용한 단일 광자 소자 이론을 실험적으로 구현 가능하게 한 모든 연구진에게 감사의 말씀을 드린다.”라고 전했으며 “단일 광자를 양자 비트(qubit)로 사용하는 양자 컴퓨터를 통해 양자 컴퓨팅 네트워크를 향한 큰 도약이 되었다”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.