2026 겨울방학 학부연구인턴 연구주제

OEN Lab에서 겨울방학 학부연구인턴을 모집합니다. 연구 주제는 아래와 같습니다.

이온트랩 양자컴퓨터용 광집적 소자의 인공지능 기반 역설계
이온트랩 칩 grating coupler 출력 빔 측정 셋업 구축 및 자동화
분자는 어떻게 원형편광 빛을 내는가: 빛과 물질의 각운동량에 대한 기초 탐구와 실험

1. 이온트랩 양자컴퓨터용 광집적 소자의 인공지능 기반 역설계

시뮬레이션 · 최적화 · AI

이온트랩 양자컴퓨터는 칩 표면 위 수십 µm에 떠 있는 이온을 레이저로 제어합니다. 칩 안의 grating coupler가 이온 하나에 마이크론 크기로 빛을 모으도록, 그 구조를 시뮬레이션과 최적화와 인공지능으로 설계합니다. 최근 발표된 설계 방법들을 재현하고, 더 효율이 높고 제작 오차에 강한 설계를 찾는 것이 목표입니다.

반대 방향의 문제도 다룹니다. 이온은 사방으로 빛을 내는데, 이온 바로 아래 칩 표면에 metasurface를 넣어 이온에서 나온 빛의 경로를 칩 위에서 제어하기 위한 설계가 또 하나의 목표입니다.

칩 아래 grating coupler에서 나온 빛이 칩 위에 떠 있는 이온들을 비추는 이온트랩 칩 일러스트 — 칩 아래 grating coupler에서 나온 빛이 칩 위에 떠 있는 이온들을 비춥니다. 출처: M. Momenzadeh et al., npj Nanophotonics 3, 3 (2026), Fig. 1a. CC BY-NC-ND 4.0

grating coupler의 평면 패턴과, 그 grating에서 나온 빛이 50 µm 위 한 점으로 모이는 시뮬레이션 — Grating의 평면 무늬(왼쪽 위)와 단면(왼쪽 아래)의 pitch, duty cycle 같은 변수를 설계하면, 빛이 칩 위 50 µm 높이의 한 점으로 모입니다(오른쪽). 출처: F. W. Knollmann et al., Light Sci. Appl. 15, 95 (2026), Fig. 2. CC BY 4.0

기존 벌크 렌즈 이미징과 칩에 넣은 회절 거울을 이용한 이온 이미징 비교 — 6 cm 떨어진 큰 렌즈(왼쪽) 대신, 이온 바로 아래 60 µm 거리의 칩 위 광학 소자(오른쪽)로 이온이 내는 빛을 다룹니다. 출처: M. Ghadimi et al., npj Quantum Inf. 3, 4 (2017), Fig. 1b·c. CC BY 4.0

참고문헌

G. J. Beck, J. P. Home, K. K. Mehta, "Grating design methodology for tailored free-space beam-forming," J. Lightwave Technol. 42, 4939 (2024).
F. W. Knollmann et al., "Collection of fluorescence from an ion using trap-integrated photonics," Light Sci. Appl. 15, 95 (2026).
M. Momenzadeh et al., "Individual trapped-ion addressing with adjoint-optimized multimode photonic circuits," npj Nanophotonics 3, 3 (2026).
M. Ghadimi et al., "Scalable ion–photon quantum interface based on integrated diffractive mirrors," npj Quantum Inf. 3, 4 (2017).

2. 이온트랩 칩 grating coupler 출력 빔 측정 셋업 구축 및 자동화

광학 실험 · Python 자동화

시뮬레이션에서 완벽했던 grating도 실제로 제작하면 빔이 다르게 나옵니다. 칩의 grating coupler가 내보내는 빔을 높이별로 촬영해 3차원 빔 모양을 재구성하는 측정 셋업을 만들고, Python으로 측정과 분석을 자동화합니다. 직접 손으로 광학 셋업을 만드는 실험 위주의 주제입니다.

광섬유로 칩에 빛을 넣고, 칩에서 나온 빔을 전동 z-스테이지 위 카메라로 높이별 촬영해 Python으로 분석하는 측정 셋업과, 계산된 빔의 측면도·높이별 단면·빔 크기 그래프 — 위: 측정 셋업. 아래: 칩에서 비스듬히 나온 빔이 초점에서 가장 작아졌다가 다시 퍼지는 모습(계산 예시). 카메라를 높이 z₁–z₅로 옮겨 가며 단면을 찍고, 빔 크기를 높이에 따라 그려 초점을 찾습니다.

참고문헌

F. W. Knollmann et al., "Collection of fluorescence from an ion using trap-integrated photonics," Light Sci. Appl. 15, 95 (2026).
M. Ghadimi et al., "Scalable ion–photon quantum interface based on integrated diffractive mirrors," npj Quantum Inf. 3, 4 (2017).

3. 분자는 어떻게 원형편광 빛을 내는가: 빛과 물질의 각운동량에 대한 기초 탐구와 실험

양자역학 · 전자기학 · 분광 실험

원형편광 빛의 광자는 ±ħ의 각운동량을 가집니다. 분자가 원형편광 빛을 흡수하고 내보낼 때 이 각운동량은 전자의 스핀과 궤도각운동량 중 어디에 실리고, 분자의 대칭성은 어떤 역할을 할까요? 학부 전자기학과 양자역학을 바탕으로 원형편광 방출과 스핀, 궤도각운동량의 관계를 공부한 뒤, 탐구할 질문 하나를 스스로 정해 실험실에서 직접 확인합니다.

원형편광으로 들뜬 분자가 내는 빛은 원래의 편광을 기억할까? 분자의 모양이나 대칭성이 바뀌면 결과도 달라질까? 이런 질문에서 출발해 직접 실험을 설계하고 연구를 수행합니다.

원형편광 빛이 분자에 들어가고, 분자 속 전자의 스핀과 궤도각운동량을 거쳐 나오는 빛의 편광은 물음표로 남아 있는 그림

참고문헌

L. Wan et al., "Anomalous circularly polarized light emission in organic light-emitting diodes caused by orbital–momentum locking," Nature Photonics 17, 193 (2023).
F. Furlan et al., "Electrical control of photon spin angular momentum in organic electroluminescent materials," Nature Photonics 19, 1361 (2025).

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