저에너지-저비용 양자암호통신의 상용화 가속화 (실온에서 다이아몬드 LED로 단일광자를 전기적으로 발생시키는데 세계최초 성공)

이하 JST press 인용 (원문은 여기)

JST 과제달성형기초연구의 일환으로, 오사카대학의 水落 憲和(Norikazu Mizuochi) 준교수와 산업기술총합연구소의 山崎 聡(Yamazaki Satoshi)의 연구팀은, 세계최초로 인공다이아몬드를 사용하여 실온에서 전기적으로 단일광자를 발생시키는 것에 성공하였다.

최근 양자암호통신은 이론상, 어떠한 기술로도 도청이 불가능한 궁극의 통신기술로서 기대받고 있으며, 세계적으로도 많은기업이 연구개발 중에 있다. 이 양자암호통신의 실현을 위해서는 정보를 담는 광자 한개 한개를 필요한 때에 간단하면서도 확실하게 발생시킬 수 있는 단일광자원(光子源)이 필요하다. 하지만 이제까지는 양자도트 (Quantum Dot)나 유기분자를 사용한 단일광자원은 실온에서는 불안정하여 거의 발광하지 않기때문에 극저온에서의 냉각이 반드시 필요하게 된다.   

또한 실온에서 단일광자 발생이 가능하여도 광여기를 위해 레이져가 필요한것에 한해 실현되어있다. 즉, 에너지나 비용의 제약이 단일광자원의 실용화 및 보급의 과제였다.  

그림1. 다이아몬드중의 NV중심
N은 질소원자로 다이아몬드격자내의
탄소원자의 치환위치에 들어있음.
V는 탄소원자가 빠진 공극

본연구에서는 다이아몬드를 재료로 내부의 탄소원자가 빠진 구멍과 질소원자의 복합체 (NV중심: 그림1)이 실온에서도 안정하게 발광하는 것에 주목하여 단일광자원으로 사용하여 전류에서 작동시키는것에 도전하였다. 구체적으로는 고온제조기술에의해 고품질다이아몬드의 얇은 발광층을 n층 p층에 끼우고, 발광층에 전기가 흐를수 있는 LED소자를 제작하였다 (그림2).  또한 광자상관법등의 정밀한 측정법에의해 단일광자원으로서 세계에서 최초로 실온에서 전기적으로 동작하는것을 실증하였다. 

그림2. 전류주입형 단일광자발생소자의 개략도

 세계 최고수준기술의 융합으로 인해, 단일광자원에서 과제였던 극저온이나 레이져를 사용할때의 문제를 극복하고, 양자암호통신의 에너지절약 및 저비용화의 길이 열렸다. 이후, 소자의 집적화로 인해 시스템의 고속화나 효율화가 달성되고 실증실험을 거쳐 가까운 장래에서는 국가기밀의 통신이나 개인정보에 관한 통신등에 이용이 기대된다. 더욱이 NV중심에는 우수한 스핀기능이 있다. 이에 대한 성과는 양자암호통신에 국한되지 않고 장래에는 실온에서 전기적으로 스핀이나 빛을 조작하여 연산 및 기록을 할 수 있는 양자컴퓨터나 양자측정등에 필요한 소자의 실현에도 공헌가능할 것으로 보인다.

 이 연구성과는 2012년 4월15일 영국과학잡지 Nature Photonics에 온라인판으로 게재되었다. (논문은 여기)