Toward triggered generation of indistinguishable single-photons from MoTe$_2$ quantum emitters

초고보안 통신과 강력한 컴퓨팅의 미래는 매우 특정한 종류의 빛, 즉 단일 광자(single photons)에 달려 있습니다. 단일 광자는 전통적인 신호들을 괴롭히는 노이즈와 간섭 없이 정보를 전달할 수 있는 개별적인 빛의 입자입니다. 이러한 시스템이 장거리에서 작동하기 위해서는 광자들이 '구별 불가능(indistinguishable)'해야 합니다. 즉, 두 개의 동전이 정확히 같은 순간에 같은 틀에서 찍혀 나온 것처럼, 모든 면에서 동일해야 함을 의미합니다. 만약 이들이 아주 미세하게라도 다르다면, 이러한 기술들에 필요한 섬세한 양자 효과는 무너지고 맙니다. 과학자들이 이러한 단일 광자를 생성하는 방법들을 찾아내긴 했지만, 이를 전 세계 통신 네트워크에서 사용하는 파장대로 만드는 것은 어려운 과제였습니다. 기존의 대부분의 광원들은 가시광선 주파수 대역에서 작동하는데, 이 파장은 광섬유 케이블에 의해 빠르게 흡수되어 장거리 이동에는 부적합하기 때문입니다. 연구자들은 인터넷에서 사용되는 근적외선 파장에서 이러한 완벽하고 동일한 광자를 생성할 수 있는 물질을 찾아왔으나, 신뢰할 수 있고 품질이 높은 광원을 찾는 것은 계속해서 큰 장애물로 남아 있었습니다.

덴마크 기술대학교(Technical University of Denmark)의 연구팀은 이제 몰리브데넘 디텔루라이드(molybdenum ditelluride)라는 물질을 사용하여 이 찾기 힘든 빛 입자들을 만들어내는 새로운 방법을 입증했습니다. 이 물질은 2차원 결정체로, 두께가 불과 몇 개의 원자 층에 불과하며, 다른 물질들에 비해 통신에서 사용되는 파장에 훨씬 가까운 근적외선 영역에서 자연적으로 빛을 방출합니다. 문제는 이 물질이 빛을 낼 수는 있지만, 그동안 생성된 광자들이 색상과 타이밍이 제각각이라 고급 양자 작업에는 사용할 수 없을 정도로 지저리스러웠다는 점입니다. 연구진은 이 물질이 요구에 따라 완벽하고 동일한 광자를 방출하도록 강제할 수 있는 통제된 환경을 구축함으로써 이 문제를 해결하고자 했습니다.

이를 달성하기 위해 연구팀은 결정체를 위한 특수한 무대를 제작했습니다. 먼저 빛을 앞뒤로 반사시켜 수집되는 빛의 양을 극대화하도록 설계된 거울 같은 표면으로 시작했습니다. 그 위에 딱딱한 레진으로 만든 작은 별 모양의 기둥들을 배치했습니다. 몰리브데넘 디텔루라이드의 얇은 조각을 이 기둥들 위에 옮기자, 물질은 날카로운 지점들을 중심으로 자연스럽게 휘어지고 주름졌습니다. 이러한 주름은 결정 내부에 강렬한 물리적 응력(stress) 구역을 만들어냈습니다. 연구진은 집중된 전자빔을 사용하여 이 응력이 가해진 영역에 아주 작고 특정한 결함들을 만들어냈습니다. 이러한 물리적 응력과 원자 수준의 손상의 결합은 트랩 역할을 하여, 결정 내부의 에너지를 단일 광자가 방출될 수 있는 아주 작은 지점에 가두었습니다.

결과는 이 물질을 이용한 이전의 시도들에 비해 상당한 개선을 보여주었습니다. 연구팀은 이렇게 설계된 방출기들이 1090에서 1200 나노미터 사이의 매우 특정한 파장 범위, 즉 스펙트럼의 근적외선 부분에서 빛을 생성한다는 것을 발견했습니다. 이들이 방출하는 빛은 고도로 편광되어 있었는데, 이는 빛의 파동이 단일하고 일관된 방향으로 진동함을 의미하며, 잘 제어된 광원이라는 신호입니다. 무엇보다 중요한 것은 광자들이 매우 빠르게 방출되었다는 점인데, 그 수명은 단 130에서 450 피코초(1조 분의 1초)에 불과했습니다. 이 속도는 광자가 주변 환경과 상호작용하여 '지저분해질' 시간을 줄여주기 때문에 매우 중요합니다.

이들이 단순히 희미한 빛이 아니라 진정한 단일 광자임을 증명하기 위해, 연구진은 광자들이 검출기에 도착할 때 어떻게 행동하는지 측정했습니다. 그들은 광자들이 하나씩 도착하며, 동시에 두 개가 도착할 확률이 매우 낮다는 것을 발견했습니다. 레이저로 물질을 들뜨게 하는 방식을 정밀하게 조정함으로써 배경 노이즈를 거의 제로 수준으로 줄였고, 그 결과 두 번째 광자가 나타날 확률이 1% 미만인 순도 수준을 얻었습니다. 또한, 장치에 작은 전압을 가함으로써 방출되는 빛의 색상을 유용할 정도로 미세하게 변화시킬 수 있다는 사실도 발견했습니다. 이러한 튜닝 능력은 서로 다른 광원들의 색상을 맞추어 더 큰 네트워크에서 함께 작동할 수 있도록 하는 데 필수적입니다.

이 광원들에 대한 가장 결정적인 테스트는 이 광자들이 구별 불가능한지를 확인하는 것이었습니다. 연구진은 두 개의 광자가 광원으로부터 나와 빔 분할기(beam splitter)에서 만나도록 하는 실험을 설정했습니다. 만약 광자들이 동일하다면, 이들은 특정한 방식으로 서로 간섭하여 따로 떨어져 나가는 대신 함께 출구로 나오게 됩니다. 연구팀은 이 간섭 현상을 관찰함으로써 광자들이 정말로 구별 불가능하다는 것을 확인했습니다. 비록 그 효과가 완벽하지는 않았지만, 이 유형의 물질에서 측정된 것 중 가장 강력한 수준이었습니다. 가장 깨끗한 순간만을 골라 데이터를 필터링함으로써, 연구진은 몰리브데넘 디텔루라이드로 도달해 본 적 없는 수준의 구별 불가능성을 달성했습니다.

이 연구는 양자 기술 분야에서 2차원 결정체의 활용에 있어 전환점을 마련했습니다. 이는 물리적 변형, 정밀한 결함 생성, 그리고 전기적 제어를 결합함으로써, 과학자들이 까다로운 물질을 신뢰할 수 있는 단일 광원source로 바꿀 수 있음을 보여줍니다. 빛의 방출을 조절하고 높은 순도를 달부터서, 이러한 광원들이 결국 기존의 광섬유 네트워크에 통합될 수 있음을 시사합니다. 현재의 장치들이 아직 장거리 통신에 사용되는 정확한 파장에 도달하지는 못했지만, 나아갈 길은 명확합니다. 물질의 두께를 조절하고 제조 공정을 정교화함으로써, 이 방출기들은 곧 차세대 양자 통신 시스템의 표준 구성 요소가 되어, 해킹이 불가능한 네트워크와 강력한 양자 컴퓨터의 약속을 현실로 가져올 수 있을 것입니다.