양자 광회로 돌파구 여는 기술 개발

정확한 위치와 구성으로 양자점 만들 수 있어

현대 사회는 컴퓨터, 휴대폰, 인터넷, 그리고 수많은 응용 프로그램들을 뒷받침하는 반도체 칩의 전기 회로에 의해 움직인다. 2025년이 되면 인류는 175제타바이트(175조 기가바이트)의 새로운 데이터를 만들 것으로 예상된다.

그럼 이처럼 많은 양의 데이터에 대한 보안은 어떻게 이루어질 수 있을까. 또한 이런 데이터를 활용하여 현재의 컴퓨터 기술에서는 쉽지 않은 기후변화와 같은 거대 과제를 어떻게 해결할 수 있을까.

방대한 양의 정보를 안전하게 처리할 수 있는 양자 광회로의 개발에 돌파구를 여는 연구 결과가 발표됐다. ©GNU Free Documentation License

이에 대한 가장 유력한 대안은 새로운 양자 통신과 연산 기술이다. 하지만 이를 위해선 우리가 매일 생성하는 방대한 양의 정보를 안전하게 처리할 수 있는 양자 광회로(quantum optical circuit)의 개발이 필요하다.

즉, 우리가 매일 생성하는 방대한 양의 정보를 안전하게 처리할 수 있는 기술이 필요하다는 의미다. 그런데 미국 서던캘리포니아대학(USC)의 연구진이 이에 대한 돌파구를 여는 연구 결과를 발표했다.

전통적인 전기 회로는 전하로부터 오는 전자가 흐르는 통로이지만, 양자 광회로는 정보를 전달하는 양자 비트 역할의 단일 광입자나 광자를 생성하는 광원을 사용한다. 이 광원이 바로 크기가 수 나노미터(㎚)에 불과한 초미세 반도체 입자인 양자점이다.

차세대 양자 컴퓨터에는 빛이 뭉쳐서 나오는 고전적 광원이 아닌, 빛 알갱이를 하나씩 내뿜는 단일 광자원이 필요하므로 나노 입자인 양자점이 양자 광원으로 주목받고 있다.

균일하게 방출되는 양자점을 정확히 정렬

그런데 양자 광회로는 반도체 칩에 일정한 패턴으로 단일 광자원을 배열해야 하며, 동일한 파장을 가진 광자는 일정한 방향으로 방출되어야 한다. 하지만 지금까지는 이런 회로의 개발에 상당한 장벽이 있었다.

예를 들면 현재의 제조기술에서 양자점은 크기와 모양이 다르고 임의의 위치에서 칩에 조립된다. 점들의 크기와 모양이 다르다는 것은 그들이 방출하는 광자의 파장이 균일하지 않다는 것을 의미한다.

하지만 서던캘리포니아대학 연구진은 단일 광자가 정확한 패턴으로 배열된 양자점으로부터 균일한 방식으로 방출될 수 있음을 증명했다. 이처럼 균일하게 방출되는 양자점을 정밀하게 정렬할 수 있는 능력은 광회로의 생산을 가능하게 하여 양자 컴퓨팅 및 통신 기술의 새로운 발전으로 이어질 것으로 기대된다.

미국 공군과학연구단(AFOSR)과 미국 육군연구실(ARO)이 지원한 이 연구 결과는 미국 물리학협회(AIP)가 발행하는 ‘APL 광자학(APL Photonics)’ 최신호에 발표됐다.

이번 연구를 주도한 USC 화학공학과의 연구 조교수인 제페이 장(Jiefei Zhang)은 “이 발견으로 단일 광자 물리학의 실험실 시연에서 양자 광회로 칩을 대규모로 제조할 수 있는 단계로 옮겨갈 수 있게 됐다”며 “양자 통신 및 보안, 이미징, 양자 시뮬레이션 등의 분야에서 응용이 기대된다”고 말했다.

일반 양자점보다 20~40배 우수해

연구진은 이번 연구로 인해 단일 광자 방출의 동시 순도는 99.5% 이상을 기록하게 되었으며, 방출된 광자 파장의 균일성 측면에서도 확장성을 갖춰 양자점의 세계 신기록을 수립했다고 밝혔다. 양자점이 1.8㎚에 불과해 일반적인 양자점보다 20~40배 더 우수하다는 것이다.

미국 육군연구실의 관련 책임자인 에반 러너스트롬(Evan Runnerstrom)은 “이번 연구는 정확한 위치와 구성으로 양자점을 만드는 방법처럼 근본적인 과학적 과제를 해결하는 것이 어떻게 양자 컴퓨팅과 같은 기술에 영향을 미칠 수 있는지를 보여주는 중요한 사례가 된다”고 말했다.

이번 연구를 주도한 USC 화학공학과의 연구 조교수인 제페이 장(Jiefei Zhang). © USC Viterbi

연구진은 ‘SESRE(하향식 크기 감소 비약)’라는 방법을 사용해 회로에 대한 양자점의 정확한 레이아웃을 만들었다. 그런 다음 갈륨비소(GaAs)로 구성된 평탄한 반도체에 가장자리 방향, 모양, 깊이 등을 갖춘 나노미터 크기의 메사(mesa)를 규칙적으로 배열해 조작했다.

이는 연구진이 처음으로 잘 확립된 반도체 공정 기법을 사용해 확장 가능한 양자 광자칩을 만들 수 있다는 의미다. 연구진은 방출된 광자가 양자점으로부터 얼마나 동일한지를 확인하는 연구를 계속 진행할 예정이라고 밝혔다.

미국 공군과학연구단의 관련 책임자인 제르노트 폼렌케(Gernot Pomrenke)는 “이번 연구는 데이터센터, 의료진단, 국방, 보안 기술 등의 역량에 혁명을 일으킬 가능성이 크다”고 말했다.

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