- 부산대 문한섭·UNIST 김제형 교수 공동연구팀, 세슘 원자 앙상블-양자점 단일광자 직접 간섭 입증

- 하이브리드 양자 네트워크 실현 위한 핵심 기술 기반 마련…장거리 양자통신·분산형 양자센서 확장 기대

왼쪽부터 부산대 문한섭 교수, UNIST 김제형 교수, UNIST 김규영 박사, 부산대 김희우 박사과정생

부산대학교와 UNIST(울산과학기술원) 공동연구팀이 원자와 반도체 양자점이 만든 빛을 하나처럼 작동시키는 데 세계 최초로 성공, 양자 기술의 미래를 바꿀 새로운 연구 결과를 발표했다. 이는 서로 다른 양자장치를 연결해 장거리 양자통신과 양자중계기 구현으로 이어질 수 있는 핵심 기술로, 하이브리드 양자 네트워크 시대를 앞당길 성과로 주목된다.

부산대학교(총장 최재원) 물리학과 문한섭 교수와 UNIST 물리학과 김제형 교수 공동연구팀은 서로 다른 양자 플랫폼인 세슘 원자 앙상블과 반도체 양자점에서 각각 독립적으로 생성된 단일광자(빛) 사이의 직접적인 양자간섭을 실험적으로 구현하는 데 성공했다고 23일 밝혔다. 원자와 양자점에서 나온 빛을 실제로 하나의 양자 자원처럼 활용할 수 있음을 보여준 세계 최초의 성과다.

양자 네트워크는 양자컴퓨터와 양자통신, 양자센서를 하나로 연결하는 미래 기술로 꼽힌다. 이를 위해서는 양자정보를 담은 광자가 여러 양자 노드 사이를 오가야 한다. 문제는 광자를 만드는 방식이 서로 다른 원자, 반도체 양자점, 색중심(color center) 등 각 플랫폼마다 장점과 한계가 뚜렷하다는 점이다.

원자 시스템은 양자정보 저장과 주파수 안정성에 강점이 있고, 반도체 양자점은 밝고 빠른 단일광자 생성에 유리하다. 그래서 최근에는 하나의 플랫폼만으로 모든 기능을 구현하기보다, 서로 다른 플랫폼의 장점을 결합한 하이브리드 양자 네트워크가 주목받고 있다.

하지만 이종 플랫폼을 연결하는 일은 쉽지 않다. 서로 다른 시스템에서 방출되는 광자는 파장·선폭·시간 특성이 달라 서로를 구별하지 못하도록 만드는 것이 매우 어렵기 때문이다. 이 조건이 맞아야만 두 광자가 구별 불가능한 양자간섭 현상이 나타난다.

공동연구팀은 이 난제를 온열 세슘 원자 앙상블과 화합물 반도체인 인듐비소(InAs)/갈륨비소(GaAs) 양자점의 결합으로 풀어냈다. 세슘 원자 앙상블은 917.48 nm(나노미터) 파장의 예고 단일광자를 만들고, 반도체 양자점은 온도 제어를 통해 같은 세슘 전이 파장에 정밀하게 맞췄다. 특히 두 광원의 파장뿐 아니라 스펙트럼 선폭도 제어해, 기존처럼 손실이 큰 스펙트럼 보정 장치 없이도 높은 중첩도를 확보했다.

기존 연구에서는 서로 다른 양자광원의 차이를 줄이기 위해 좁은 필터나 복잡한 시간 동기화 장치를 써야 하는 경우가 많았다. 그러나 이런 방식은 광자 손실을 키우고 시스템을 복잡하게 만들어 실제 네트워크 구현의 걸림돌이 됐다.

반면 이번 연구는 연속파 구동과 시간분해 동시계수 검출 방식을 이용해, 전혀 다른 물리계에서 나온 서로 다른 양자 플랫폼에서 생성된 광자를 활용해 양자 네트워크로 동작할 수 있음을 입증했다.

연구팀은 독립적인 두 광자에서 양자간섭의 대표 현상인 홍-오우-맨델(Hong-Ou-Mandel, HOM) 간섭을 최초로 관측했다. 이는 두 광자가 완전히 구별되지 않을 경우 같은 경로로 함께 나가면서 동시 검출이 줄어드는 현상이다. 연구팀은 세슘 원자 광자와 양자점 광자가 공명 조건에 있을 때 뚜렷한 간섭 신호를 확인했고, 양자네트워크 구현 가능성을 제시했다.

양자점과 원자 두 종류의 빛이 겹쳐진다는 것은 이런 의미다. 반도체 양자점은 밝은 단일광자 발생원으로 활용할 수 있고, 원자 시스템은 안정적인 에너지 준위와 절대 주파수 기준, 나아가 양자메모리와의 연계 가능성을 지닌다. 다시 말해 양자점이 광자를 빠르게 만들고, 원자가 이를 저장·동기화·기준화하는 역할 분담이 가능해지는 셈이다.

특히 세슘 원자 기반 광원은 원자 고유의 에너지 준위 덕분에 절대 주파수 기준을 제공할 수 있어, 멀리 떨어진 양자 노드들 사이에서도 광자의 주파수를 장기간 안정적으로 맞추는 데 활용될 수 있다. 이는 앞으로 여러 도시와 기관에 분산된 양자컴퓨터, 양자센서, 양자메모리를 연결하는 대규모 하이브리드 양자 네트워크 구축의 핵심 기반이 될 수 있다.

문한섭 부산대 교수는 “이번 연구는 원자와 반도체 양자점이라는 전혀 다른 양자 플랫폼에서 생성된 단일광자가 별도의 손실 큰 보정 없이도 서로 양자간섭할 수 있음을 보인 성과”라며 “세슘 원자가 제공하는 안정적인 주파수 기준과 양자점의 고효율 단일광자 생성 능력을 결합하면, 장거리 양자통신과 양자중계기 구현을 위한 실질적인 하이브리드 양자 노드 기술로 발전할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

또 문 교수는 “두 연구팀이 각자의 실험실에서 따로 연구한 것이 아니라, 양자과학기술센터와 양자센서 대학ICT연구센터(ITRC)의 지원으로 공동 융합실험실을 구축해 연구자들이 한 공간에서 협력하는 현장형 융합연구를 수행했다”고 설명했다.

김제형 UNIST 교수도 “이번 연구는 해외 선도 연구그룹에서도 아직 구현하지 못한 선도적인 결과”라며 “서로 다른 분야에서 세계 최고 수준의 전문성을 갖춘 연구그룹이 긴밀하게 협력할 때 기존에 해결하기 어려웠던 문제를 풀 수 있다는 점을 보여주는 대표적인 융합연구 사례”라고 강조했다.

이번 연구성과는 국제학술지 『라이트: 사이언스 앤드 애플리케이션스(Light: Science & Applications)』 온라인 7월 15일자에 게재됐다.

- 논문 제목: Two-photon interference between independent atomic and quantum dot single-photon sources for hybrid quantum network (하이브리드 양자 네트워크를 위한 독립적인 원자와 양자점 단일 광원에서의 이광자 간섭)

- 논문 링크: https://www.nature.com/articles/s41377-026-02399-y

이번 연구에는 부산대와 UNIST, KIST(한국과학기술연구원) 송진동 박사 연구진이 함께했으며, 부산대 문한섭 교수와 UNIST 김제형 교수가 교신저자로 연구를 이끌었다. 공동 제1저자로 UNIST 김규영 박사와 부산대 물리학과 김희우 박사과정생이 참여했다.

또한, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 한국연구재단(NRF)과 정보통신기획평가원(IITP) 등의 후원으로 수행됐으며, 양자과학기술센터와 양자센서 대학ICT연구센터(ITRC)의 협력연구 지원을 통해 진행됐다.

한편, 이번 연구는 학문적 성과뿐 아니라 지역 기반 양자 인프라 확장의 가능성을 보여줬다는 점에서도 눈길을 끈다. 부산대와 UNIST가 구현한 원자-양자점 하이브리드 양자광원 기술은 향후 부산과 울산을 연결하는 양자네트워크 실증 연구로 이어질 수 있다. 나아가 장거리 양자통신은 물론, 여러 지점의 양자센서를 하나의 네트워크로 묶는 분산형 양자센서 기술로도 확장될 가능성이 커지고 있다.













































참고자료 1. 연구진 사진 및 연구 이미지, 실험셋업 사진(파일 별첨)



참고자료 1



연구진 사진 및 연구 이미지









(연구진) 왼쪽부터

부산대 문한섭 교수, UNIST 김제형 교수, UNIST 김규영 박사, 부산대 김희우 박사과정생











원자앙상블-양자점 기반 하이브리드 양자 네트워크



왼쪽의 칩 스케일 원자앙상블과 오른쪽의 공진기 결합 양자점, 서로 다른 두 양자시스템에서 생성된 광자의 구별 불가능성을 양자간섭으로 확인함으로써 하이브리드 양자 네트워크 구현으로 나아가는 과정을 시각화한 그림