나노기술 및 정책 정보

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  도쿄대학(東京大學) 나노양자정보 일렉트로닉스연구기구, (주)후지쯔(富士通)연구소, (주)NEC는 최근 공동으로, 단일광자원을 채용한 방식으로 세계 최장인 50 km의 양자암호열쇠 전송 실험에 성공했다.

  본 성과는 도쿄대학-후지쯔연구소-NEC의 연계 하에 광통신파장대에서 최고 성능의 단일광자원과 실용 수준의 양자암호 시스템 프로토타입을 융합함으로써 실현된 것이다. 1.5㎛대 단일 광자원에 의한 이번 실용수준 실험의 성공에 의해 전송 거리 성능 등에서 가장 기대되는 1.5 ㎛대 단일광자원에 의한 양자암호방식 실용화를 위한 새로운 단계를 맞이하게 되었다.
  본 성과는 9월 10일 발 행 된 「APEX(Applied Physics Express)」 온라인판에 게재되었다. 한편, 본 연구 개발은 과학기술진흥조정비「첨단융합영역 이노베이션 창출 거점의 형성」프로그램에 의해 이루어졌으며, 본 연구의 일부는 정보통신연구기구 위탁연구「양자암호의 실용화를 위한 연구 개발」프로젝트의 성과를 활용하였다.

■ 연구 개발 성과
  이번, 도쿄대학-후지쯔연구소-NEC가 연계하여 새로운 1.5 ㎛대 단일광자원과 실용 수준의 양자암호시스템을 융합한 새로운 시스템을 개발하고, 양자암호열쇠 전송 실험을 공동으로 실시했다. 또 안전성 이론에 근거하는 해석을 통해 1.5 ㎛대 단일광자 전송에 의한 50 km의 안전열쇠 전송을 실증하고, 양자점 단일 광자원이 양자암호 시스템의 광원으로서 실용적으로 사용가능함을 밝혔다. 이 성공의 핵심 기술 개발은 다음의 두 가지이다.

1. 장거리 전송에 적합한 고성능 단일광자원의 개발
  이번 연구에서 개발한 것은 양자점이라고 불리는 나노 크기의 반도체 결정으로, 파장 1.5 ㎛의 단일광자만을 고효율로 생성시키는 기술이다. 양자점을 광학적 혼(horn) 구조(그림 1(a)) 속에 배치하고, 양자점이 이산화(離散化)된 에너지 준위 중 하나에 광조사의 파장을 고정밀도로 맞춤으로써, 전자와 정공 1쌍만을 확실하게 생성하는 제어 기술을 확립했다(그림 1(b)). 이로써 단일광자생성 효율이 5.8%, 노이즈가 되는 복수광자의 동시발생 확률이 감쇠 레이저 광의 약 20분의 1이 되는 광통신 파장대에서 최고의 고성능 단일광자원을 실현했다.

2. 단일광자광원에 최적화한 양자 암호 시스템의 개발
  NEC가 이미 부설 완료한 실사용 환경하의 97 km 광섬유에 의한 열쇠전송 필드 테스트에 채용한 평면광회로를 기반으로, 단일광자원에 최적화한 저손실 간섭 광학계를 신규 개발했다. 또, 양자 비트의 코드방식인‘Time-bin’코딩 광자전송을 채택하여, 편파(偏波)를 포함한 전송로의 혼란에 좌우되기 어려운 실용 수준의 새로운 양자암호 시스템을 실현했다. 전체 시스템은 동기 신호 생성 장치로부터 생성되는 동기 신호에 의해 타이밍을 맞춰 구동된다. 특히 송신자와 수신자의 사이는 동기로 레이저 광을 이용하여 신호 광에 맞춰 2심(芯)의 파이버로 전송하는 양자암호열쇠 전송의 실용적시스템을 실현했다.
  본 성과는 양자점 광 디바이스 분야와 양자정보기술의 융합에 의한 세계 최초로 실용 수준에 이른 연구성과라고 할 수 있다. 향후, 연구진은 단일광자원 등을 포함한 시스템의 보다 높은 성능 향상을 도모하여, 5~10년 후 시스템을 실용화하는 것을 목표로 하고 있다. 또, 이번 연구에는 광여기 방식의 단일 광자원을 이용했지만, 전류주입형 1.5 ㎛대 단 일광자원도 개발된 상황으로, 앞으로 보다 소형화되고 간편한 양자암호 통신 시스템이 개발될 것으로 기대된다.

발표논문:

  Kazuya Takemoto, Yoshihiro Nambu, Toshiyuki Miyazawa, Kentaro Wakui, Shinichi Hirose, Tatsuya Usuki, Motomu Takatsu, Naoki Yokoyama, Ken'ichiro Yoshino, Akihisa Tomita, Shinichi Yorozu, Yoshiki Sakuma, and Yasuhiko Arakawa, “Transmission Experiment of Quantum Keys over 50 km Using High-Performance Quantum-Dot Single-Photon Source at 1.5 ㎛ Wavelength”, APEX, September 10, 2010 Ⅰ DOI: 10.1143/APEX. 3.092802