나노기술 및 정책 정보

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독일의 보훔 루르 대학교(Ruhr-Universität Bochum)와 바젤 대학교 공동연구팀이 초저 배경잡음으로 스펙트럼의 빨간색 부분에 가까운 빛을 방출하는 양자점(작은 반도체 나노 구조)을 실현했음. 양자점은 언젠가 양자 컴퓨터의 기초가 될 수 있음. 광자라고도 하는 빛 입자는 정보 전달자 역할을 함. 적절한 광학적 특성을 가진 양자점은 이전에 근적외선 범위의 파장을 가진 광자에 대해서만 획득되었음. 이제 연구원들은 700 ~ 800 나노미터 사이의 파장, 즉 가시광의 적색 범위에 가까운 파장에서 저잡음 상태를 만드는 데 성공했음. 예를 들어 이것은 다른 광자 시스템과의 결합을 가능하게 함.

양자 통신을 위한 시스템에는 서로 다른 파장의 광자가 필요함. 장거리 통신의 경우 주요 요구 사항은 신호 손실을 방지하는 것임. 이 목적을 위해 약 1,550 나노미터의 파장을 사용할 수 있음. 반면에 짧은 거리의 경우 가능한 한 효과적으로 감지하고 다른 양자 메모리 시스템에 연결할 수 있는 광자가 필요함. 이것은 적색광으로 가능하거나 더 정확하게는 700에서 800 나노미터 사이의 파장으로 가능함. 현재 사용 가능한 광자 검출기는 이 범위에서 가장 높은 감도를 가지고 있음. 또한 이 주파수의 가벼운 입자는 루비듐 저장 시스템과 결합 될 수 있음. 양자 시스템의 정보를 정확하게 인코딩, 조작 및 판독하기 위해서는 안정적인 광 방출이 중요함. 이것이 바로 연구팀이 가시광 적색 범위 근처의 광자에 대해 달성한 것임.

연구원들은 갈륨비소로 만들어진 반도체에서 양자점을 변환했음. 시스템은 액체 헬륨으로 냉각되어야 하므로 섭씨 영하 269 도의 저온에서 작동함. 주요 과제 중 하나는 이러한 저온에서 광자를 안정적으로 방출하는 갈륨-비소 양자점으로 다이오드를 설계하는 것이었음. Bochum에 기반을 둔 팀은 평소보다 알루미늄 농도가 낮은 알루미늄-갈륨-비소 층을 생산하여 층 전도도와 안정성을 향상시켰음. Nano-Photonics 팀은 이 물질을 바젤에서의 실험에 사용했음.

다음 단계에서 연구팀은 새로 개발된 양자점과 루비듐 양자 기억 장치를 결합할 계획임. 이러한 하이브리드 구조는 미래의 양자 통신 네트워크에서 실제 응용을 향한 첫 번째 단계가 될 것임.

본 연구 성과는 ‘Nature Communications’ ("Low-noise GaAs quantum dots for quantum photonics") 지에 게재됨