[랩큐멘터리] 광소자 소형화·집적화로 양자통신 이끈다

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우주에서 가장 빠른 빛은 통신과 정보처리 분야에서 궁극의 물질이다. 지금도 초고속 인터넷을 위한 광통신을 비롯해 다양한 곳에서 빛을 이용한 통신과 센서 기술이 사용되고 있다. 광통신기술 중 단일 광자를 이용한 양자통신 분야가 빠르게 성장하고 있다. 빛 알갱이인 광자는 둘로 나눌 수 없고 복제가 불가능한 특성이 있어, 양자통신은 해킹할 수 없다. 이 때문에 군사∙금융∙산업 등 보안이 중시되는 다양한 영역에서 주목받고 있다.

신희득 포스텍 물리학과 교수가 이끄는 양자 나노 포토닉스 연구실은 광소자를 소형화하고 하나의 칩 위에 집적화해 양자통신이나 양자컴퓨팅에 응용할 수 있는 양자 광집적회로를 개발하고 있다. ‘4S’라 일컫는 소형화(size)·속도(speed)·안정화(stability)·확장성(scalability)의 개선을 통해 복잡한 기능을 할 수 있는 광집적회로를 개발하고, 기존에 볼 수 없었던 현상을 실현하는 것이 목표다.

신희득 포스텍 물리학과 교수

광집적 회로의 한 예로, 올해 8월 신 교수팀은 실리콘 칩에서 생성된 음파를 이용해 광신호를 증폭하거나 감쇄하는 방법을 세계 최초로 개발했다. 연구팀은 우선 나노 공정작업을 통해 빛이 이동하는 길인 광도파로를 머리카락 굵기 100분의 1보다 얇게 만든 실리콘 칩을 개발했다. 이후 빛이 물질을 변형시키는 힘인 광력을 이용해 두 개의 광도파로에서 만든 음파가 세 번째 광도파로에 도달하는 시간을 조절했다.

이를 통해 실리콘 칩 내에서 두 음파가 보강 간섭과 상쇄 간섭을 하면서 1만배 이상 대비를 갖도록 하는데 성공했다. 마이크로파 신호를 자유롭게 증폭하거나 감쇄한 것이다. 연구팀은 이를 발전시켜 펄스 형태 신호의 세기를 조절할 수 있다는 것도 처음 선보였다.

이같이 소형 광구조물에서 광과 음파간 상호작용을 연구하는 동시에 양자통신과 양자컴퓨터에 사용하는 광집적회로 개발까지 이어지고 있다.

신 교수는 “양자기술은 이제 시작 단계”라며 “국가적 지원과 우수한 연구진의 노력을 통해 우리 연구실은 양자기술 분야에서 세계적으로 앞서나가는 선도그룹이 될 것”이라고 말했다.

양자 나노 포토닉스 연구실은 광소자를 소형화하고 하나의 칩 위에 집적화해 양자통신과 양자컴퓨팅에 사용할 수 있는 양자 광집적회로를 개발하고 있다.

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