이상윤 연구실은 실리콘 카바이드(SiC)와 다이아몬드 등 넓은 밴드갭 반도체 내 점결함을 활용한 양자정보처리 기술 개발에 주력하고 있습니다. 점결함은 고체 내에서 원자 수준의 결함으로, 전자 및 스핀 상태를 정밀하게 제어할 수 있어 차세대 양자컴퓨팅, 양자통신, 양자센싱의 핵심 요소로 주목받고 있습니다. 연구실은 실리콘 카바이드 내 실리콘 공석(Si vacancy) 및 다이아몬드 내 질소-공석(NV) 센터 등 다양한 점결함을 이용하여 단일 광자 소스, 스핀 큐비트, 양자 메모리 등 다양한 양자 소자 구현을 시도하고 있습니다. 특히, 실리콘 카바이드 점결함의 스핀 상태를 광학적으로 및 전기적으로 제어하고, 고해상도 이미징 및 개별 결함의 위치 제어 기술을 개발함으로써, 실질적으로 확장 가능한 양자컴퓨팅 하드웨어 플랫폼을 구축하고 있습니다. 최근에는 딥러닝 기반의 단일 광자 에미터 판별, 전기적 제어가 가능한 단일 광자 소스 개발, 그리고 점결함의 광학적/전자적 특성 분석을 통해 양자정보처리 소자의 신뢰성과 효율성을 높이고 있습니다. 이러한 연구는 양자정보과학의 실용화에 필수적인 고체 기반 양자 소자 기술의 상용화 가능성을 높이며, 미래의 양자 네트워크, 양자 센서, 양자 통신 시스템의 핵심 기술로 자리매김하고 있습니다.

연구실은 양자광학적 현상을 기반으로 한 양자통신 및 양자암호 기술 개발에도 활발히 참여하고 있습니다. 단일 광자 소스와 점결함 큐비트를 활용하여 양자 키 분배(QKD), 양자 메시지 인증, 양자 서명 등 다양한 양자암호 프로토콜을 실험적으로 구현하고, 실제 환경에서의 신뢰성과 보안성을 검증하고 있습니다. 실험적으로는 다양한 양자 키 분배 프로토콜(BB84, six-state, RFI-QKD 등)의 성능을 비교하고, 기준 프레임 회전 및 변동에 따른 내구성을 분석하여 실용적인 양자통신 시스템 구축에 기여하고 있습니다. 또한, 양자광학 실험을 통해 벨 상태 측정, 다광자 얽힘 상태 생성, 양자 프로세스 토모그래피 등 양자정보처리의 핵심 기술을 개발하고 있습니다. 연구실은 양자 측정의 기하학적 위상, 양자 스티어러빌리티, 비국소성 등 양자역학의 근본적 현상에 대한 이론적·실험적 연구도 병행하여, 양자정보과학의 기초와 응용을 아우르는 폭넓은 연구를 수행하고 있습니다. 이러한 연구 성과는 양자암호 네트워크, 양자 인증, 양자 서명 등 차세대 보안 통신 기술의 실현에 직접적으로 연결되며, 미래의 안전한 정보 사회 구현에 중요한 역할을 하고 있습니다.