표준연, 상온서 220V 전원으로 작동 '단일광자 광원' 개발

극저온 장치·대형 실험대·전문 인력 없이 작동

19인치 소형 장비, 큐라드와 국산화 본격 추진

[대전=뉴시스] KRISS가 개발한 상온 플러그앤플레이 단일광자 광원의 내부 모습. 19인치 랙형 케이스 안에 단일광자를 찾아내는 고배율 렌즈, 잡광을 걸러내는 필터, 광자를 광섬유로 보내는 정밀 결합장치 등이 집적돼 있다.(사진=KRISS 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 광자 기반 양자기술의 핵심 부품인 단일광자 광원을 개발해 양자암호통신 보안분야서 경쟁 우위를 점하게 됐다.

한국표준과학연구원(KRISS)은 극저온 냉각장치 없이 상온에서 작동하는 단일광자 광원을 19인치 랙형 소형장비로 구현하는데 성공했다고 18일 밝혔다.

전원만 연결하면 바로 작동하는 플러그앤플레이(Plug & Play) 방식으로 연구실에 머물던 양자광원 기술의 현장 활용성을 확보하고 현재 민간기업과 제품화에 착수했다.

양자통신·양자센싱·양자측정 등 광자 기반 양자기술의 출발점인 단일광자 광원은 빛 알갱이인 광자를 하나씩 만들어내는 장치다.

양자통신에서는 광자에 정보를 담아 보내며 도청 시도가 발생하면 광자상태가 바뀌어 흔적을 확인할 수 있으나 기존 단일광자 광원은 영하 270도 수준의 극저온 환경, 방 한 칸 규모의 대형 실험대, 숙련 연구자가 필요해 현장 투입에 한계가 있었다.

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

개발 장치는 220V 일반 전원으로 작동이 가능하고 복잡한 광학 정렬 없이 단일광자를 발생시킨다. 19인치 랙형 구조로 제작돼 기존 양자암호통신(QKD) 장비와 연결이 쉽고 현장 설치·운용에도 유리하다.

이번 기술은 질화갈륨 반도체 안에 자연적으로 생기는 미세한 결함의 활용이 핵심이다. 이 결함에 에너지를 가하면 광자가 하나씩 밖으로 나오지만 결함은 원자 수준으로 작고 무작위로 흩어져 있어 찾아낸 위치를 반복해서 활용키 어렵다.

KRISS는 공간 확정적 맵핑 기술을 개발, 방출 위치를 좌표처럼 기록해 장비를 껐다 켜도 같은 지점을 자동으로 찾아가도록 했다. 

공동연구를 진행한 공주대 이욱재 교수팀은 반도체 표면에 광자를 위쪽으로 유도하는 나노미터 크기의 원형 브래그 격자 구조를 설계·제작해 결함에서 나온 광자의 추출 효율을 극대화시켰다.

이번 성과는 단일광자 광원을 국내기술로 장비화한 '양자 소부장' 국산화 사례로 향후 금융·의료·정부망 등 중요 통신 구간의 양자암호통신 보안성을 높이는 핵심 광원으로 활용 가능하다. KRISS는 스핀오프 기업 ㈜큐라드와 공동으로 제품화를 추진 중이다.

이동훈 큐라드 대표는 "양자산업 경쟁력은 핵심 부품을 직접 만들고 안정적으로 공급할 수 있느냐에 달려 있다"며 "이 기술을 더 작고 견고한 제품으로 완성해 국내기술 기반의 양자광원 공급망을 만들어가겠다"고 밝혔다.

홍기석 책임연구원은 "단일광자 광원은 광자 기반 양자기술의 핵심 부품이지만 그동안 극저온 실험실에 한정돼 왔다"며 "이번 성과는 상온에서 쓸 수 있는 장비형 광원으로 현장 활용 문턱을 크게 낮췄다는 데 의미가 크다"고 말했다.


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