[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

양자 정보 기술은 양자 중첩(superposition)과 양자 얽힘(entanglement)과 같은 고전적인 정보 처리에서는 나타나지 않는 양자적 현상에 기반하고 있다. 이러한 특성 덕분에 양자 컴퓨터는 특정 연산에서 기존 컴퓨터보다 압도적으로 빠른 계산 성능을 제공할 수 있으며, 양자 통신은 원리적으로 도청이 불가능한 보안성을 확보할 수 있는 장점이 갖는다.

양자 기술의 실현을 위한 다양한 물리적 구현 플랫폼이 제안되고 있는 가운데, 광자는 그 자체로 편광, 시간, 위치 등을 활용한 중요한 큐비트(양자 비트) 리소스를 제공하며 빛의 속도로 정보를 전달할 수 있고, 특히 다양한 양자 플랫폼 들 (원자, 이온, 초전도, 양자점 등) 간 상호작용을 매개할 수 있는 중요한 특징을 가지고 있다. 이러한 장점을 바탕으로 광자 기반의 양자 컴퓨팅, 양자 통신, 양자 계측 기술이 활발히 연구되고 있다.

그러나 양자 기술이 실용화 단계로 도약하기 위해서는, 단일 큐비트 수준을 넘어서 다수의 큐비트를 집단적으로 제어 및 생성할 수 있는 기술, 그리고 양자 상태를 장시간 유지할 수 있는 안정적인 시스템이 필요하며 만약 이러한 특성을 갖춘 양자 시스템이 실험적으로 구현된다면, 다양한 양자 정보 기술에 직접적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

2.연구내용

본 연구에서는 나노 공진기와 반도체 기반 양자점을 이용하여 다수의 양자 구조체 사이에서 집단적인 양자 얽힘과 상호작용을 유도하고 제어하는 기술을 개발하다. 양자점은 단일 광자를 안정적으로 생성할 수 있는 특성으로 인해 오랫동안 연구되어 왔으나, 다수의 양자점을 동시에 제어하는 데에는 구조적 제약이 있었다.

이에 연구진은 다수의 양자점을 나노 공진기(nanocavity)와 결합된 구조로 구현하였다. 공진기는 빛을 일정 시간 동안 내부에 가두는 역할을 하며, 다수 양자점 사이의 광학적 상호작용을 매개하는 중요한 요소이며 본 연구에서는 이러한 공진기-양자점 결합을 통해 기존에는 이론적으로만 논의되던 '암흑 상태(dark state)' 기반의 양자 얽힘을 실험적으로 구현하고 관측하는 데 성공하였다.

기술의 핵심은 공진기의 손실률과 양자점과의 상호작용 세기 사이의 균형을 정밀하게 조절하는 것이며, 이를 통해 자발적인 집단 양자 얽힘이 극대화되는 조건을 확보하다. 이로 인해 양자 얽힘 상태의 유지 시간을 밝은 상태 대비 약 600배 향상시킬 수 있었고, 비고전적인 집단 초발광현상 또한 실험적으로 관측하였다. 이 현상은 다수의 양자점이 집단적으로 동기화되어 광자를 강하게 방출하는 현상으로, 새로운 형태의 양자광 생성 기술로 연결될 수 있다.

3.기대효과

양자 메모리, 양자 네트워크, 비선형 효과 등 실용 기술 구현에 핵심이 되는 광원 제어 기술로 활용. 반도체 기반 기술을 활용하여 다양한 기술(원자, 반도체 양자점, 결함체 등)에 이식 가능하여 응용 범위가 매우 넓음.

본 연구는 다수 큐비트 시스템에내 존재하는 어둠 상태인 서브라디언스(Subradiance) 현상을 다수의 양자점으로 구성된 고체 물질계에서 실험적으로 구현하였다는 점에서, 양자광학 및 다체 양자물리 분야 모두에 중요한 의의를 가진다. 특히 서브라디언스는 양자 시스템이 외부로 복사되는 에너지를 억제하여 감쇠 속도를 현저히 낮추는 집단 양자현상으로, 양자 상태의 수명을 획기적으로 연장할 수 있다는 점에서 차세대 양자 정보 저장 기술의 핵심 기반으로 주목받고 있다.

이번 연구에서 제시된 공진기 기반 상호작용 제어 기술은 양자 얽힘 상태를 장시간 유지할 수 있는 메커니즘을 제공하며, 이를 통해 양자 메모리 기술의 고도화가 가능할 것으로 기대된다. 서브라디언트 상태는 기존 대비 수십 배 이상 긴 양자 상태 유지 시간을 제공하므로, 안정적이고 신뢰성 높은 양자 정보 저장 장치의 실현 가능성을 한층 높여준다.

또한, 본 기술은 다수의 양자점이 집단적으로 동기화된 상태에서 광자를 방출하는 현상을 정밀하게 제어할 수 있다는 점에서, 향후 광자의 방출 속도, 위상, 정렬 상태 등을 조절할 수 있는 고정밀 양자 광원 및 비고전광 생성 기술로 확장될 수 있다. 이러한 특성은 양자 센서, 정밀 계측, 비선형 양자 광학 등의 분야에서도 실용적인 응용 가능성을 갖는다.

무엇보다 이번 연구는 반도체 기반의 양자점 시스템을 활용하였기 때문에, 향후 원자 배열, 결함체, 초전도 큐비트 등 다양한 물리 플랫폼으로의 이식성과 호환성이 높다는 점에서도 큰 장점을 가진다. 이러한 범용성과 확장성은 양자 정보과학 전반에 걸쳐 기술적 파급력을 갖고 있으며, 기초 과학적 이해를 넘어 실용 기술로의 전환 가능성을 제시한다.

[붙임] 용어설명

1.양자점 (Quantum Dot)

나노 크기의 아주 작은 반도체 구조로, 원자와 같이 불연속적인 에너지 구조를 가지고 있어 단일 광자를 방출하는 양자광원으로 활용된다.

2.단일 광자 (Single Photon)

빛의 최소 에너지 단위면서 편광, 시간, 위치 등을 이용하여 양자 중첩, 양자 얽힘 등을 나태낼 수 있는 큐비트로 활용될 수 있다.

3.양자 얽힘 (Quantum Entanglement)

서로 떨어져 있는 두 입자가 서로 비고전적 상관관계를 갖는 상태이다. 비국소적 상호작용을 가능케하여 다양한 양자 정보 기술 구현에 핵심 요소이다.

4.양자 중첩 (Quantum Superposition)

측정 이전에 다양한 양자 상태를 동시에 동시에 갖는 양자 현상.

5.밝은 상태 (Bright state/superradiant state)

두 개 이상의 구별 안되는 입자가 생성하는 대칭적인 양자 얽힘상태. 빛의 방출을 강화해 초발광 현상을 관찰할 수 있다.

6.암흑 상태 (Dar state/subradiant state)

두 개 이상의 구별안되는 입자가 생성하는 비대칭적인 양자 얽힘상태. 빛 방사와 같이 외부와 거의 상호작용하지 않아 에너지를 방출하지 않는 안정된 양자 상태. 덕분에 얽힘 상태가 오랜시간 유지될수 있다. 또한 밝은 상태에서의 초발광을 뛰어넘는 일시적인 초발광(쌍광자 방출)을 나타내기도 한다.

7.나노 공진기 (Nanocavity / Optical Cavity)

빛을 특정 영역에 가둬두는 초미세 구조. 양자점과의 상호작용을 조절해 빛 방출을 유도하거나 억제하는 데 사용된다.