- 비유클리드 쌍곡평면의 자유도를 적용한 새로운 광학 매질 설계
- 빛의 위상학적 특성 이용, 에러에 강하고 변조에 민감해 활용 용이

▲ (좌측부터) 토토사이트 전기정보공학부 박남규 교수, 유선규 박사, 박현희 박사

차세대 기술로 각광받고 있는 광학/양자 컴퓨팅 실용화를 위한 원천 기술이 국내 토토사이트 구 레드진에 의해 세계 최초로 개발됐다.

토토사이트 공대(학장 차국헌)는 00일 전기정보공학부 박남규 교수 토토사이트 구 레드팀이 동작 조건과 공정 에러에 강하면서도 광학적 상태를 쉽게 변조할 수 있는 새로운 광 매질 설계 기법을 세계 최초로 개발했다고 밝혔다.

토토사이트 구 레드팀이 개발한 새로운 광 매질 설계 기법은 무한에 가까운 구조적 자유도로 최근 재료과학, 화학, 고체물리, 광학 등의 토토사이트 구 레드주제에서 주목받고 있는 비유클리드적 특성을 적용한 것이다. 토토사이트 구 레드팀은 쌍곡기하학의 특성을 유클리드 평면상에서 광학적으로 새롭게 구현할 방법을 제안하고, 해당 구조에서 흐르는 빛에 유효자기장을 발생시키는 방법을 구현함으로써 새로운 광 매질을 얻을 수 있음을 세계 최초로 증명했다.

▲그림 1. 양상추잎(왼쪽)과 같은 쌍곡기하면에 형성된 격자구조를 2차원 유클리드 영역에 사영(Projection)하여 쌍곡기하 격자 구조의 특성을 관찰할 수 있도록 구현된 광학 구조(오른쪽). 적색 도넛 도형은 광학적 공진기이며, 에메랄드색 도형은 각 공진기를 잇는 도파로 구조이다.

본 토토사이트 구 레드는 쌍곡기하 영역에서 빛의 위상학적 특성을 세계 최초로 관찰한 토토사이트 구 레드이며, 전자의 위상학적 특성을 나타내는 ‘호프스태더의 나비’를 광학 분야에서 쌍곡기하구조 영역까지 확장한 이론적 가치를 갖는다.

▲그림 2. (좌측) 유클리드 공간에서, 자기장과 빛의 주파수에 따른 광학적 상태를 표시하는 호프스태더 나비. (중간 및 우측) 서로 다른 쌍곡기하 격자 구조에서 새롭게 정의되는 “쌍곡기하” 호프스태더 나비. 자기장 및 주파수에 매우 민감한 특성을 가져 효율적 변조가 가능해진다.

특히 광학적으로 구현한 새로운 격자 매질에 유효 자기장을 가했을 때, 구조에 무질서나 에러가 있어도 빛의 투과 특성은 거의 100%에 가깝게 유지된다는 것을 확인했다. 동시에 자기장의 세기에 따라 에러에는 매우 강하면서도 매우 민감하게 빛의 투과를 제어할 수 있음을 검증해 기존의 성능을 뛰어넘는 고성능의 광신호처리가 가능함을 확인했다.

▲그림 3. 쌍곡기하구조의 특성을 유클리드 평면 상에서 광학적으로 구현한 새로운 “격자” 매질에서, 유효 자기장을 가해줬을 때 빛의 투과 현상. 구조에 무질서 또는 어떤 에러(여기서는 무질서한 원의 반지름으로 묘사)가 있더라도 빛의 투과 특성은 거의 100%에 가깝게 유지된다.

논문의 제1저자인 유선규 박사는 “해당 매질로 구성된 광소자에서는 동작 조건과 공정 에러가 들어가더라도 거의 100%에 가까운 투과 특성이 유지되며, 동시에 이러한 투과 특성이 유효자기장의 세기에는 매우 민감하다는 점이 유클리드 공간에서 정의된 매질과의 가장 큰 차이점”이라고 말하고 “이러한 에러 저항성과 민감도는 동시에 얻기 힘들다는 점에서 소자로서의 장점이 있으며, 해당 특성은 효율적이면서도 안정적으로 동작이 가능한 광학 스위치 및 트랜지스터, 궁극적으로는 빛을 이용한 컴퓨팅 기법 및 양자 컴퓨터 기술에 적용가능하다.”고 말했다.

박남규 교수는 “본 토토사이트 구 레드는 쌍곡기하 영역에서 빛의 위상학적(Topological) 특성을 처음으로 관찰한 토토사이트 구 레드라는 의의가 있다.”고 말하고 “실제로는 구현이 거의 불가능에 가까운 쌍곡기하구조가 아니라 우리에게 친숙하면서도 쉽게 구현 가능한 유클리드 평면 상에서 구현할 수 있다는 점, 그와 동시에 기존 소자들의 성능을 뛰어넘는다는 점에서 실용적인 가치가 있다. 특히, 위상학적 특성이 양자 컴퓨팅 분야에서 관심을 받음에도, 그 특성의 제어가 어려운 한계를 보완해준다는 점에서 미래 기술로서의 가치를 보여주고 있다.”고 설명했다.

토토사이트 구 레드팀은 “차후 다른 비유클리드 영역에서의 다양한 광학 현상들을 관찰할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

토토사이트 구 레드 결과는 세계적인 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’의 표지 논문으로 7월 29일에 게재되었다. 본 토토사이트 구 레드는 토토사이트 박남규 교수, 유선규 박사, 박현희 박사가 참여했으며 과학기술정보통신부의 글로벌 프론티어 사업(파동에너지 극한제어 토토사이트 구 레드단), 교육부의 대통령Post-Doc.펠로우십 과제, 과학기술정보통신부의 해외우수신진토토사이트 구 레드자유치(KRF) 사업의 지원을 받았다.

[용어해설]
1. 쌍곡기하학(Hyperbolic Geometry): 일정한 값의 음의 곡률을 갖는 기하구조(예를 들어 쌍곡면) 및 이 구조 위에서의 기하학을 다루는 비유클리드 기하학 분야 학문이다.
2. 유효자기장(Effective Magnetic Field): 특정한 입자의 움직임을 “마치” 전자에 자기장이 가해졌을 때와 유사하게 제어가 가능하도록 하는 어떤 원인을 가리키는 용어이다. 본 토토사이트 구 레드에서는 빛의 흐름이 자기장 하에서의 전자의 움직임과 “유효적으로” 유사하도록 하는 구조적/물질적 변수가 유효자기장으로 동작한다.
3. 위상학적(Topological) 특성: 연속적인 변형으로는 그 특성을 변화시킬 수 없는 보존량 또는 그 특성을 가리키는 말로 예를 들어 축구공과 도넛은 위상학적 특성이 다르다. 위상학적 특성을 갖는 물리적 현상은 에러에 매우 강한 특성을 가질 수 있다.
4. 공진기(Resonator): 빛의 에너지를 저장할 수 있는 광학 소자.
5. 도파로(Waveguide): 빛의 에너지를 전파할 수 있는 광학 소자.

[취재 문의]
토토사이트 전기정보공학부 박남규 교수 / nkpark@snu.ac.kr
토토사이트 전기정보공학부 유선규 박사 / sunkyu.yu@snu.ac.kr