물리학의 최근 동향
물리학의 최근 동향
  • 취재부
  • 승인 2005.09.12
  • 호수 1202
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광학을 이용한 양자 정보 과학연구 활발

오차환 교수 (자연대 물리학과)
최근 광학에서 가장 큰 이슈 중의 하나는 광결정(photonic crystal)이다. 광결정은 굴절률이 빛의 파장에 버금가는 좁은 간격마다 주기적으로 변하도록 만든 인공 물질인데, 광결정 안에서는 특정한 주파수 영역의 빛은 존재할 수 없는 밴드갭이 생긴다. 이러한 광결정을 이용하면 저손실 광도파로, 고효율 LD 및 LED, 마이크로레이저, 광스위치 등 다양한 광전소자들을 만들 수 있기 때문에, 초고속 고효율의 광통신과 광컴퓨터 등에 활용이 가능하며, 전자회로를 대체할 수 있는 차세대 광집적회로(photonic integrated circuit)가 조만간 실현될 것으로 믿어진다. 또 하나의 흥미로운 일은 표면플라즈몬(surface plasmon)이다. 금속면에 전반사 이상의 각도로 빛을 입사시키면, 특정한 각에서는 빛이 금속박막과 유전체의 경계면에서 전부 흡수되는 표면플라즈몬 공명이 일어난다. 이때 금속박막과 유전체 표면에만 국한된 매우 강한 전기장이 발생하여 표면을 따라 전파해 나가게 된다. 표면플라즈몬 공명은 금속박막과 접한 유전체의 모양 및 굴절률에 따라 민감하게 달라진다. 따라서 표면플라즈몬은 계면의 광학적 특성분석, 비선형광학 연구, 굴절률의 정밀 측정, 바이오센서에 활용될 뿐 아니라 차세대 나노포토닉스를 리드하는 핵심소자로의 응용이 가능하다.

한양대학에서는 광결정의 제작 및 광학적 특성, 광자결정 구조를 이용한 새로운 기능의 광자소자, 광결정 내에서의 원자분광학 등을 수행하고 있다. 또 Sub-wavelength 마이크로 구조와 광자와의 상호작용 분석을 위한 근접장 광학, 소멸광파(evanescent wave)와 금속 간의 상호작용 이해를 위한 표면플라즈몬, 금속 나노입자에서의 플라즈몬 공명 등에 대하여 연구하고 있다. 또한, 양자정보처리와 관련하여 알카리 원자에서의 전자기유투과분광학, 이온트랩 및 레이저냉각에 의한 고분해 이온분광학이 연구되고 있다. 응용적 측면으로는, 무기 단결정 및 고분자박막에서의 광정보기록, 모든 광학부품을 마이크로 규모로 어레이화 및 집적화하는 초박형 광학계(planar integrated optics), 디스플레이 및 광정보저장을 위한 홀로그램소자(HOE) 등을 연구하여 새로운 개념의 광 응용소자 개발을 이끌어 나가고 있다.

양자정보과학의 연구주제는 양자컴퓨터와 양자통신의 두 가지로 나눌 수 있는데, 스타트랙이나 파리와 같은 소설이나 영화에서나 나올 것 같은 “원거리 이동” 등을 연구한다. 양자컴퓨터는 기존의 전자 컴퓨터에서 한층 발달한 형태의 컴퓨터로 기존의 컴퓨터가 할 수 없는 여러 가지 연산을 수행할 수 있다. 그 중 하나는 기존의 암호체계를 깰 수 있다는 것이다. 얼마 전 손전화 도청에 관한 논란으로 많은 통신회사가 암호화에 비상한 관심을 보였는데, 양자컴퓨터를 이용하면 이런 종류의 암호는 쉽게 깰 수 있다. 따라서 자연스럽게 양자컴퓨터로도 깰 수 없는 새로운 암호체계를 연구할 필요가 생기는데, 이를 양자암호라고 부른다. 양자효과에 기인한 원거리 이동은 다른 양자효과를 어려운 수학과 논리 없이 설명하는데도 유용하다.

한양대학에서는 광학을 이용하여 양자컴퓨터 및 양자통신을 구현하는 연구를 한다. 이를 위해 양자정보의 기초적인 형식화에 관한 연구 및 고차원 내 비국소성 연구, 정보거리를 통한 정보의 코드화, 빛과 물질 간 양자정보 및 양자얽힘 전달 연구, 양자결풀림을 통한 양자세계에서 고전세계로의 전이, 고차원 양자비밀 공유 등을 연구하고 있다.


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