물리학과 첨단기술 NOVEMBER 2013 2 단분자를 이용한 단광자 소스 개발 DOI: 10.3938/PhiT.22.048 이 광걸 저자약력 이광걸 교수는 서울대학교 이학박사(2007)로 스위스 쮜리히 연방공과대학 교(ETHZ)(2008-2010)와 독일 엘랑겐 소재 막스플랑크 연구소(2010- 2011)에서 박사 후 연수과정을 거치고, 2012년부터 한양대학교 물리학과 조교수로 재직 중이다. (kglee@hanyang.ac.kr) Developing a New Quantum Light Source: Single Photons from Single Molecules Kwang-Geol LEE In this article, a new kind quantum light source, a single photon source, is introduced. In contrast to other pre-exist- ing light sources, the single photon source enables us to ‘get’ single photons on demand. This is a truly remarkable merit of the single photon source, so that source has been discussed as the building block of many quantum optical applications like quantum cryptography, optical quantum computation, quantum imaging, and metrology. However, the feasibility of these applications depends on the avail- ability of single photons with a high fidelity. Here, the gen- eration mechanism for single photons from nano-sized sin- gle emitters and several cutting edge technologies to en- hance the ‘quality’ of single photon sources are discussed. 서 론 빛을 이용하는 광기술의 발전은 인류역사 전반에서 큰 영향 력을 발휘하여 왔다. 그 중 빛의 이해를 바탕으로 한 광소스의 개발은 과학사의 발전에 크게 이바지한 바 있다. 대표적으로 20세기 초반부터 한 세기를 아우르는 양자역학의 발전에서 기 본 개념의 확립과 가설을 검증하는데 있어 빛을 이용한 실험 들이 중추적인 역할을 담당하였다. 이는 대표적인 광소스인 레 이저의 개발에 힘입은 바 크며, 레이저의 기본 개념은 1917년 아인슈타인에 의해 제시된 후, 1960년대에 이르러 Maiman에 의해 최초로 가시광 영역에서 발진하는 레이저가 실현되었 다. 레이저는 유도 방출(stimulated emission)을 통한 빛의 증 폭 과정을 통해 만들어지며, 방출되는 빛은 높은 직진성, 안정 성과 더불어 높은 결맞음성을 지니게 된다. 이런 뛰어난 특성 을 바탕으로 레이저는 과학연구 분야에서 뿐 아니라 의료, 군 사, 산업, 그리고 오늘날의 최첨단 기술의 하나인 광통신에서 까지 절대적인 역할을 수행하고 있다. 최초의 레이저가 겨우 50여 년 전에 개발된 것을 생각해 볼 때, 이는 좋은 광소스의 개발이 사회전반에 얼마만큼의 큰 영향을 끼칠 수 있는지 잘 보여준다. 하지만 최근의 나노, 바이오 및 양자 응용에 대한 연구에서는 레이저를 포함한 기존의 광소스들이 가지지 못하는 성능을 가지는 차세대 광소스의 개발을 필요로 하고 있다. 본 고에서는 단광자 소스의 필요성과 특성에 대하여 논의하고 단 분자를 포함한 단광자 발생기에서의 광자 방출 메커니즘과 단 광자 소스의 품질을 향상하는 데 있어서 개발되고 있는 광기 술들에 대해 알아보도록 한다. 레이저의 한계점과 단광자 소스의 가능성 하나의 광자(photon)를 원하는 타이밍에 생성할 수 있을까? 이는 레이저를 포함하는 기존의 광소스들과 단광자 소스의 차 이점을 가장 극명하게 보여주는 질문이며, 또한 오랫동안 제시 되어 왔던 다양한 양자광 응용기술(양자 암호(Quantum Key Distribution), 양자 전송(Quantum Teleportation), 양자 연산 (Quantum Computing))들을 실현하는데 있어 절대적으로 요 구되는 사항이다. 하지만 레이저를 포함한 기존의 광소스로는 이를 실현하는 것이 불가능하다. 유도 방출(Stimulated Emission)을 통해 생성되는 레이저의 경우 광자들은 서로 동일한 물리적 상태(진행 방향, 파장, 편광 및 위상)를 지니게 된다. 여기서 레이저가 가지는 결맞음성, 즉 발생하는 광자들이 서로 동일한 위상 값을 지니게 됨으로써