단일 광자원은 양자 통신 기술과 양자 정보 처리 기술에 있어서 핵심이 되는 기본 소자이다. 특히 단일 광자원에서 방출되는 광자를 효율적으로 제어하는 기술은 양자 키 분배와 같은 고급 양자 암호 기술로 활용하기 위해 필수적으로 개발되어야 한다.

현재 대부분의 양자 통신 기술에서는 단일 광자와 최대한 비슷한 약한 결맞음을 갖는 레이저 펄스 광이 광원으로 이용되지만, 이러한 두 개 이상의 광자로 이루어진 광원의 이용은 전달하고자 하는 정보가 도청 당할 수 있다는 위험성을 갖는다.

이제까지는 극저온에서 반도체 양자점을 이용하여 단일 광자원을 구현하였으나, 최근에는 다이아몬드 NV center나 전이금속 칼코젠(transition-metal dichalcogenides, TMDCs)의 자연적/인공적 결함에서 양자 구속 효과를 이용한 저온/상온 단일 광자원 연구가 보다 활발하게 이루어지고 있다. 그러나 높은 광추출 효율 및 강한 광발광 특성 등 단일 광자원으로서의 많은 장점에도 불구하고, 나노 물질 기반의 단일광자 방출기는 가시광 영역에서 직접 밴드갭을 가지므로 광섬유 네트워크를 이용한 단일 광자의 장거리 전송에 적합하지 않다.

본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 bound states in the continuum (BIC) 현상에 기반을 둔 강한 비선형 특성을 이용하여 원자 수준의 얇은 2차원 TMDC 물질에서 방출되는 ‘가시광 파장의 단일 광자’를 ‘통신 파장의 단일 광자’로 변환시키는 연구를 진행하고자 한다.

특히 BIC 현상의 깊은 이해와 전기 구동이 가능한 가시광 파장의 단일 광자원 개발, 그리고 phase matching이 필요 없는 나노 구조체에서 비선형 현상을 통한 파장 변환의 연구가 심도있게 진행될 것이다.

이를 통해 높은 효율로 광섬유에 결합이 가능한 새로운 단일 광자원 및 독창적인 양자 통신 기술의 개발이 가능할 것으로 기대한다.