Integrated on-chip quantum light sources on a van der Waals platform

오늘날의 기계로는 도달할 수 없는 문제를 해결할 수 있는 양자 컴퓨터를 구축하려는 꿈은 종종 하나의 고집스러운 과제에 직면하곤 합니다. 그것은 바로 빛의 아주 작은 입자인 광자(photons)가 하나의 아주 작은 칩 위에서 서로 소통하게 만드는 방법입니다. 양자 정보의 세계에서 이 광자들은 섬세한 데이터를 회로를 통해 전달하는 메신저 역할을 합니다. 이를 대규모로 구현하기 위해 과학자들은 광자를 생성하는 광원, 광자를 안내하는 통로, 그리고 광자를 포착하는 검출기가 모두 호환 가능한 재료로 만들어져 한곳에 함께 구축된 플랫폼을 필요로 합니다. 수년 동안 연구자들은 실리콘과 같은 재료를 통로로 사용하고 특수 반도체를 광원으로 사용하는 등 서로 다른 재료를 사용하여 이 조각들을 조립하려고 시도해 왔지만, 이러한 서로 다른 재료들이 함께 작동하도록 강제하는 것은 마치 유리와 고무를 접착제로 붙이려는 것과 같아서, 그 과정이 매우 취약하고 복합적이며 규모를 키우기 어렵습니다. 더 유망한 경로는 원자 단위로 얇은 시트들로 구성되어 거친 화학적 결합 없이도 레고 블록처럼 쌓을 수 있는 반데르발스(van der Waals) 재료라고 알려진 물질군을 사용하는 것입니다. 이는 이러한 집적 회로를 구축하는 더 깨끗한 방법을 제공합니다.

새로운 연구에서 덴마크 기술 대학교(Technical University of Denmark)의 연구진은 이러한 얇고 쌓을 수 있는 재료들만을 사용하여 완전히 작동하는 양자 광원을 성공적으로 구축함으로써 이 목표를 향한 중요한 발걸음을 내디뎠습니다. 그들은 이 셀레늄화 텅스텐(tungsten diselenide)이라는 특정 종류의 원자 단위 결정이 단일 광자를 만드는 공장 역할을 하는 장치를 만들었습니다. 이 결정은 텅스텐 이설화물(tungsten disulfide)이라는 다른 결정으로 만들어진 미세한 채널인 도파로(waveguide) 위에 직접 배치되었으며, 이 도파로는 빛을 포착하여 경로를 따라 안내하도록 설계되었습니다. 이 미세한 채널에서 빛을 추출하여 측정 기기로 보내기 위해, 연구진은 채널에 일련의 작은 동심원 형태의 링을 식각하여 빛을 위쪽으로 산란시키는 격자 역할을 하게 했습니다. 그 결과, 빛이 생성되고, 안내되며, 추출되는 과정이 모두 이 두 가지원 재료로 이루어진 단일 칩 위에서 이루어지는 완전하게 통합된 시스템이 탄생했습니다.

연구진은 광원을 더 밝고 깨끗하게 만들기 위한 특정 기술에 집중했습니다. 결정에 넓은 스펙트럼의 빛을 쏘는 대신, 그들은 재료가 보통 빛을 흡수하는 지점 바로 아래의 특정 에너지 레벨에 맞춰 조정된 매우 정밀한 레이저를 사용했습니다. 이 '이산 상태 들뜸(discrete-state excitation)'이라고 알려진 방식은 다른 방법들과 달리 발생하는 노이즈 섞인 배경 빛을 피하면서 단일 광자의 방출을 유도할 수 있게 해주었습니다. 연구진이 장치에서 나오는 빛을 테스트했을 때, 그 빛은 믿기지 않을 정도로 순수했습니다. 양자 물리학에서 순도는 검출기가 두 개의 광자를 정확히 동시에 포착하는 빈도로 측정되는데, 진정한 단일 광자 광원의 경우 이런 일이 거의 일어나지 않아야 합니다. 연구팀은 이 값을 거의 0에 가깝게 측정하였으며, 이는 장치가 매우 높은 신뢰도로 한 번에 하나의 광자만을 성공적으로 방출하고 있음을 나타냅니다.

빛이 실제로 도파로를 통해 이동하는 것이 아니라 단순히 무작위로 새어 나오는 것이 아님을 증명하기 위해, 연구진은 영리한 테스트를 설정했습니다. 그들은 미세한 채널의 양 끝에서 빛을 동시에 수집했습니다. 각 끝에 도착하는 광자의 흐름을 비교함으로써, 그들은 빛이 칩을 통해 효율적으로 안내되고 있음을 확인할 수 있었습니다. 이 양방향 측정은 광자들이 채널의 두 끝으로 나누어져 전달되고 있으며, 상당수의 광자가 검출기에 도달하고 있음을 보여주었습니다. 그들은 이 장치가 초당 수십만 개의 단일 광자를 보낼 수 있다고 계산했는데, 이는 시스템의 손실을 고려하여 조정했을 때 도파로 내부에서 초당 수백만 개의 광자를 생성하고 있음을 시사합니다. 이 정도의 밝기와 효율성은 유사한 재료를 사용한 이전의 시도들에 비해 큰 개선입니다.

그들의 성공의 핵심적인 부분은 재료를 쌓는 방식이었습니다. 그들은 광원과 도파로 사이에 육방정 질화붕소(hexagonal boron nitride)라는 재료의 얇은 층을 배치했습니다. 이 층은 보호용 스페이서 역할을 하여, 섬세한 발광 결정이 도파로 위에 놓일 때 균열이 생기는 것을 방지하면서도 빛이 채널로 효율적으로 결합될 수 있도록 했습니다. 이 스페이서가 없었다면 결정들이 파손되는 경향이 있어 장치를 망가뜨렸을 것입니다. 또한 연구팀은 나오는 빛이 고도로 편광되어 있다는 것, 즉 빛의 파동이 특정 방향으로 진동하고 있다는 사실을 발견했는데, 이는 미래의 회로에서 빛의 거동을 제 제어하는 데 유용한 특징입니다.

이 연구는 양자 컴퓨팅의 모든 문제를 해결했다고 주장하는 것은 아니지만, 이 다재다능하고 얇은 재료들만을 사용하여 완전하게 작동하는 양자 광원을 구축할 수 있음을 입증했습니다. 연구진은 층을 정교하게 설계하고 도파로의 모양을 조절함으로써, 광원이 채널로 빛을 이동시키는 데 따르는 일반적인 어려움을 극로할 수 있음을 보여주었습니다. 또한 그들은 빛이 단순히 표면에서 산란되는 것이 아니라는 점을 확인했습니다. 측정 결과는 광자들이 도파로 모드를 통해 이동하고 있음을 확증했습니다. 현재의 장치는 프로토타입이지만, 이 결과는 명확한 발전 방향을 제시합니다. 동일한 계열의 재료로 만들어진 검출기나 필터와 같은 구성 요소를 추가함으로써, 과학자들은 결국 현재의 하이브리드 시스템보다 제조하기 쉽고 더 신뢰할 수 있는 복잡한 양자 회로를 구축할 수 있을 것입니다. 이 연구는 반데르발스 플랫폼이 차세대 양자 기술을 위한 실행 가능하고 강력한 토대임을 입증합니다.