과학자들이 양자점을 더 똑똑하고 저렴하게 만든 방법

새로운 접근법은 '자극된 2광자 여기(stimulated two-photon excitation)'라는 순수 광학 기술을 사용하여, 능동 스위칭 소자를 사용하지 않고 양자점에서 직접 서로 다른 편광 상태의 광자 흐름을 생성합니다. 출처: 인스브루크 대학교, 편집

필요에 따라 단일 광자를 방출할 수 있는 반도체 나노구조인 양자점은 광자 양자 컴퓨팅 분야에서 가장 유망한 원천으로 여겨집니다. 그러나 모든 양자점은 미세하게 다르며, 방출하는 색상도 미세하게 다를 수 있습니다. 즉, 다중 광자 상태를 생성하기 위해 여러 개의 양자점을 사용할 수 없습니다. 일반적으로 연구자들은 단일 양자점을 사용하고 고속 전기 광학 변조기를 사용하여 방출을 다양한 공간 및 시간 모드로 다중화합니다. 이제 기술적 과제가 발생합니다. 고속 전기 광학 변조기는 비용이 많이 들고, 고도로 맞춤 제작된 엔지니어링이 필요한 경우가 많습니다. 게다가 효율이 낮을 수 있으며, 이는 시스템에 원치 않는 손실을 초래할 수 있습니다.

인스브루크 대학교 실험물리학과 광자학 그룹의 비카스 레메쉬(Vikas Remesh)가 이끄는 국제 연구팀은 케임브리지 대학교, 요하네스 케플러 린츠 대학교 및 기타 기관의 연구진과 협력하여 이러한 한계를 극복하는 탁월한 솔루션을 제시했습니다. 연구팀은 "유도 2광자 여기(stimulated two-photon excitation)"라는 순수 광학 기술을 사용하여 능동 스위칭 소자 없이 양자점에서 직접 다양한 편광 상태의 광자 흐름을 생성합니다. 연구팀은 우수한 단일 광자 특성을 가진 고품질 2광자 상태를 생성함으로써 이 기술을 입증했습니다.

"이 방법은 먼저 정밀하게 타이밍이 조절된 레이저 펄스로 양자점을 여기시켜 바이엑시톤 상태를 생성한 다음, 편광 제어 자극 펄스를 통해 원하는 편광으로 광자 방출을 결정론적으로 유발하는 방식으로 작동합니다."라고 이 연구의 제1저자인 유수프 카를리와 이케르 아빌라 아레나스는 설명합니다. "광자학 그룹에서 석사 학위 논문을 위해 연구한 것은 정말 멋진 경험이었습니다."라고 보안 신뢰성 및 안전을 위한 광자학 분야의 에라스무스 문두스 공동 석사 프로그램 2022-2024년 코호트에 참여하여 인스브루크에서 6개월을 보낸 이케르 아빌라 아레나스는 회상합니다.

"이 접근법을 특히 우아하게 만드는 것은 단일 광자 방출 후 고가의 손실을 유발하는 전자 부품에서 광 여기 단계로 복잡성을 이동시켰다는 점이며, 이는 양자점 광원을 실제 응용 분야에서 더욱 실용적으로 만드는 데 있어 중요한 진전입니다."라고 이 연구의 수석 연구원인 비카스 레메시는 말했습니다. 앞으로 연구진은 특수 제작된 양자점을 사용하여 임의의 선형 편광 상태를 가진 광자를 생성하는 기술로 이 기술을 확장할 계획입니다.

인스브루크 광자 연구 그룹 책임자인 그레고르 바이스는 "이 연구는 여러 개의 독립적인 광자 스트림을 통해 서로 다른 당사자 간에 동시에 안전한 통신을 가능하게 하는 안전한 양자 키 분배 프로토콜과 양자 역학의 기본 원리를 시험하는 데 매우 중요한 다중 광자 간섭 실험에 즉시 적용될 수 있습니다."라고 설명했습니다.

npj Quantum Information 에 게재된 이 연구는 양자 광학, 반도체 물리학, 그리고 광자 공학 분야의 전문 지식을 갖춘 연구진이 참여한 공동 연구의 결과물입니다. 이 연구는 오스트리아 과학 기금(FWF), 오스트리아 연구 진흥청(FFG), 그리고 유럽 연합 연구 프로그램의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250814094625.htm