독일 연구팀이 양자정보와 암호법 분야에 이용되는 명확한 단일광자를 발생시킬 수단이 될 수 있는 융통성 있고 효율적인 광자쌍 광원을 개발했다.

단일광자의 특성은 그 자체만으로도 기초학문 분야에서 큰 관심을 받고 있으며, 광자를 이용하는 양자 암호법 분야에서는 항상 단독으로 방출되는 광자 광원으로만 그 절대적인 보안 가능성이 충족될 수 있다. 따라서 집단으로나 짝으로 방출할 수 있는 광원보다는 신뢰성 있는 단일광자 광원을 개발하는데 많은 연구가 수행되었다. 연구자들은 이상적인 단일광자 총, 다시 말해서 완벽한 신뢰성과 우수한 효율, 좁은 대역폭, 그리고 폭넓은 파장가변성으로 단일광자를 방출하는 광원에 점점 더 다가서고 있다.

그러한 목적을 달성할 한 가지 유망한 방법이 최근 몇 년 동안 부각되었다. 그것은 SPDC, 즉 자연파라미터하향변환(spontaneous parametric down-conversion)이다. 비선형 파혼합(nonlinear wave-mixing) 과정의 일종인 SPDC는 일부 결정에서 발생되는데, 그 과정에서 입력 광자들 중 소수의 광자는 각각의 에너지 합이 입력광자의 에너지와 같은 광자쌍으로 바뀐다. 일반적으로, 이러한 광자들은 파장이 서로 다르기 때문에 출력을 펌프 광자, 최종 신호 광자, 그리고 아이들러(idler) 광자라는 3개의 서로 다른 종류로 걸러내기가 간단하다. 이 과정이 단일 광자들이 요구되는 응용분야에 적합한 이유는 쌍의 한쪽이 ‘통보자’의 역할을 하기 때문이다. 즉, 검출기로 하나의 파장을 검출하면, 그러한 검출은 그 광자와 나머지 다른 파장의 단 하나의 광자가 발생되었다는 보증서가 된다.

최근의 많은 연구에 이 기술이 이용되었으며, 얼마 전에는 독일 베를린의 훔볼트대(Humboldt University) 연구진이 KTP(periodically poled potassium titanium oxide phosphate) 결정에서 이 과정을 수행하여 통계적 특성을 확인한 바 있다. 그러나 유용성이 극대화되려면, 이상적인 단일광자 총은 좁지만 조절이 가능한 대역폭을 가져야 하며, 그렇게 되면 양자정보 및 저장 분야에 원자 천이를 이용할 수 있을 것이다. 또한 광자의 파장도 조절될 수 있어야 하며, 그러면 수많은 서로 다른 원자들이 이용될 수 있을 것이다.

그런데 이번에 막스플랑크광과학연구소(Max Planck Institute for the Science of Light), 에를랑겐-뉴른베르크대(University of Erlangen-Nuremburg), 그리고 파더본대(University of Paderborn)의 연구진이 이러한 요구조건을 충족시키는 광자총의 디자인을 제안했다. 이들의 출발점은 속삭임회랑모드(whispering-gallery-mode) 공진기이다. 이 공진기는 SPDC 특성을 가진 것으로 잘 알려져 있는 리튬 나이오베이트로 제작된 원반 모양의 공동이다. 이 공동은 다이아몬드 프리즘을 통해 결합된 532 nm 파장의 주파수2배 Nd:YAG 레이저에서 나온 수백 나노와트의 빛으로 펌핑된다. 잔여 532 nm 광은 약 1030 nm의 신호광과 1100 nm의 아이들러광과 함께 동일한 프리즘을 통해 외부로 결합되며, 빛들은 프리즘에 의해서 공간적으로 분리된다.

실험 결과에서는, 출력광자들의 ‘반집단화(antibunching)’ 특성이 우수한 것으로 나타났다. 즉 분리된 신호광 흐름과 아이들러광 흐름의 단일광자 특성이 증명되었으며, 밀리와트의 펌프 광전력으로 1300만 광자쌍이 출력되었다. 그러나 이 디자인의 진정한 장점은 그 유연성이다. 그것은 모놀리식으로 생산된 공진기 자체가 가열될 수 있기 때문에, 출력 광자들의 파장이 100 nm(빔당 50nm) 범위로 조절될 수 있다는 점이다. 연구팀이 측정한 가장 낮은 대역폭은 7.2 MHz이었고, 이 대역폭은 단순히 공진기의 결합 프리즘 간격을 바꿈으로써 최대 13 MHz까지 변경되었다. 종합하면, 이번 결과는 이 디자인이 양자정보 사회가 최근 몇 년 동안 제안해 온 수많은 다양한 기술들과 접근방식들에 이용하기에 완벽하게 적합하다는 것을 암시한다.

“이 작은 광원은 다양한 물리적 양자시스템에 결합될 가능성이 그 어느 때보다도 높으며, 양자 중계기와 광학 양자 정보처리를 실현하는데 이상적이다.”라고 연구진은 예비논문에서 밝혔다. “우리의 성과는 대역폭과 파장을 쉽게 조절하면서도, 동시에 작고, 안정적이며 대단히 높은 효율로 구현하기 쉬운 디자인을 제공하는 새로운 종류의 공진기강화 SPDC 광원의 출발점이다.”라고 연구진은 말했다.

* 그림 : 광자쌍 생성 과정에서, 다이아몬드 프리즘은 ‘통보자’ 아이들러 광자와 신호광자로부터 펌프광을 분리한다.