표준연, 전원만 꽂으면 작동하는 상온 단일광자 광원 개발

- 극저온 장치·대형 실험대·전문 인력 없이 작동… 19인치 소형 장비로 현장 활용성 높여 - 

- 스핀오프 기업 ㈜큐라드와 제품화 추진, 양자 소부장 국산화 본격화 -

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한국표준과학연구원(KRISS, 원장 이호성)이 극저온 냉각장치 없이 상온에서 작동하는 단일광자 광원을 19인치 랙형 소형 장비로 구현했다. 전원만 연결하면 바로 작동하는 플러그앤플레이(Plug & Play) 방식으로, 연구실에 머물던 양자광원 기술의 현장 활용성을 높였다.

단일광자 광원은 빛 알갱이인 광자를 하나씩 만들어내는 장치로, 양자통신·양자센싱·양자측정 등 광자 기반 양자기술의 출발점이다. 대표적으로 양자통신에서는 광자에 정보를 담아 보내며, 도청 시도가 발생하면 광자 상태가 바뀌어 흔적을 확인할 수 있다. 하지만 기존 단일광자 광원은 영하 270도 수준의 극저온 환경, 방 한 칸 규모의 광학 실험대, 숙련 연구자가 필요해 통신 현장·병원·보안 시설 투입에 한계가 있었다.

▲ KRISS가 개발한 '상온 플러그앤플레이 단일광자 광원'

KRISS 연구진은 질화갈륨(GaN) 반도체 기반 단일광자 광원을 상온 플러그앤플레이 장비로 구현했다. 개발 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.

▲ '빛 알갱이의 GPS' 공간 확정적 맵핑 기술

▲ 나노미터 단위 동심원으로 빛을 모으는 원형 브래그 격자 구조

이번 기술의 핵심은 질화갈륨 반도체 안에 자연적으로 생기는 미세한 결함을 활용하는 것이다. 이 결함에 에너지를 가하면 광자가 하나씩 밖으로 나오지만, 결함은 원자 수준으로 작고 무작위로 흩어져 있어 찾아낸 위치를 반복해서 활용하기 어렵다. KRISS는 방출 위치를 좌표처럼 기록해, 장비를 껐다 켜도 같은 지점을 자동으로 찾아가는 공간 확정적 맵핑 기술을 개발했다. 공동연구를 진행한 공주대 이욱재 교수팀은 반도체 표면에 광자를 위쪽으로 유도하는 나노미터 크기의 원형 브래그 격자 구조를 설계·제작해, 결함에서 나온 광자의 추출 효율을 극대화했다.

양자기술 선점 경쟁이 본격화되면서 핵심 장비·부품 확보가 국가 경쟁력으로 떠오르고 있다. 이번 성과는 단일광자 광원을 국내 기술로 장비화한 양자 소부장 국산화 사례로, 향후 금융·의료·정부망 등 중요 통신 구간의 양자암호통신 보안성을 높이는 핵심 광원으로 활용될 수 있다. 현재 KRISS는 스핀오프 기업 ㈜큐라드와 공동으로 제품화를 추진 중이다.

▲ KRISS 연구진이 질화갈륨 반도체 기반 단일광자 광원의 특성을 확인하기 위해 광학 장치를 조정하고 있다.

KRISS는 단일광자 광원을 만드는 데서 나아가, 광원의 품질을 검증하고 개발·개선까지 연결하는 국내 유일의 원스톱 양자광 플랫폼을 갖추고 있다. 연구진은 양자특성 시험서비스와 단일광자 측정 역량을 설계에 반영해 더 순수하고 안정적인 광원으로 개선하고 있으며, PTB(독일 연방물리기술원), INRIM(이탈리아 계량연구소) 등 해외 측정표준기관과의 비교·검증 및 EU Horizon 과제 협력으로 국제 신뢰성도 높이고 있다.

▲ 상온 플러그앤플레이 단일광자 광원 개발진

(사진 왼쪽 앞부터 시계방향으로 KRISS 배인호 책임연구원, KRISS 홍기석 책임연구원, ㈜큐라드 이동훈 대표, KRISS 박준호 선임연구원, KRISS 임선도 광도측정그룹장)

홍기석 KRISS 책임연구원은 “단일광자 광원은 광자 기반 양자기술의 핵심 부품이지만 그동안 극저온 실험실에 묶여 있었다”며 “이번 성과는 상온에서 쓸 수 있는 장비형 광원으로 현장 활용 문턱을 크게 낮췄다는 데 의미가 있다”고 말했다.

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

이번 성과의 기반이 된 광자 추출 효율 향상 연구는 KRISS 광도측정그룹과 공주대학교 데이터정보물리학과 이욱재 교수팀이 공동으로 수행했으며, 광학 분야 국제학술지 Laser & Photonics Reviews(IF: 9.8)에 게재되었다.