韓 연구진, 고정밀 양자 센서 개발…"변하는 물리량 실시간 측정"

임향택 KIST 박사팀

다중 모드 N00N 상태 생성 방법

[아시아경제 김봉수 기자] 국내 연구진이 실시간으로 변화하는 사물의 위치, 온도, 시간 등 다양한 물리량을 높은 정밀도로 측정할 수 있는 양자 센서를 개발했다. 고감도의 데이터 정밀 측정 및 이미지, 영상 확보를 통해 자율주행차 등 4차 산업혁명을 주도하기 위한 기술 패권 경쟁에서 한국만의 진지를 구축할 수 있는 토대가 될 전망이다.

한국과학기술연구원(KIST)은 임향택 양자정보연구단 박사 연구팀이 실시간으로 변화하는 여러 개의 물리량을 고전적인 한계를 뛰어넘는 높은 정밀도로 측정할 수 있는 양자 센서를 구현했다고 16일 밝혔다.

연구팀은 실시간으로 변화하는 여러 개의 물리량을 높은 정밀도로 측정할 수 있는 양자 상태인 ‘다중 모드 N00N 상태’를 구현하였다. ‘다중 모드 N00N 상태’는 이론적으로 가장 높은 정밀도를 주는 것으로 알려져 있었지만, 구현에 어려움이 있었다.

연구진은 2개의 광자가 4개의 경로로 동시에 진행하고 있는 얽힘 상태인 다중 모드 N00N 상태를 실험적으로 생성하고, 이를 간섭계에 적용함으로써 간섭계가 갖는 여러 개의 위상의 변화량을 고전적 한계를 뛰어넘는 높은 정밀도로 동시에 측정하는 데 성공하였다.

임 박사는 “이번 성과의 핵심 기술인 ‘다중 모드 N00N 상태’는 양자 이미징, 양자 센서 네트워크 등의 기반 기술로 활용되어 양자센싱 분야의 발전에 기여할 수 있을 것”이라며 “구체적으로는 고성능 양자 현미경, 바이오 이미징 센서 등에 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제 학술지인 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 최신호에 게재됐다.

◇용어 설명

▲ N00N 상태 = 두 개의 광경로 a, b에 대해 N 개의 광자가 진행할 때, N 개의 모든 광자가 a로 진행하는 상태 (b에는 광자가 없는 상태)와 N 개의 모든 광자가 b로 진행하는 상태 (a에는 광자가 없는 상태) 가 동시에 존재하고 있는 얽힘 상태이다.

▲ 다중 모드 N00N 상태 = N00N 상태가 확장된 상태로 광 경로가 두 개가 아닌 여러 개의 광 경로에 대해서 N 개의 모든 광자가 광 경로 하나로만 진행하는 (나머지 경로에는 광자가 하나도 없는) 상태가 모든 광 경로에 대해서 존재하고 있는 얽힘 상태이다. 예를 들면, N개의 광자와 4가지 경로 a, b, c, d가 존재할 때, N개의 광자가 경로 a에만 존재하고 나머지 경로에는 존재하지 않는 상태, N개의 광자가 경로 b에만 존재하고 나머지 경로에는 존재하지 않는 상태, 마찬가지로 광자가 c, d에 대해서만 존재하고 나머지 경로에는 존재하지 않는 상태가 중첩된 광자의 개수와 광 경로가 얽혀있는 상태이다.

▲간섭계 & 위상 = 간섭계란 빛의 간섭 현상을 이용하여 변위를 측정하는 광학계를 뜻한다. 하나의 빛을 빔 스플리터를 이용해 신호광(Probe Beam)과 기준광(Reference Beam)으로 나누고 서로 다른 경로를 통과하게끔 한 다음, 두 개의 광측정기를 이용하여 두 빛의 신호를 각각 받는다. 이 때 신호광의 경로가 측정 대상에 의해 변화할 경우 신호광과 기준광 사이의 경로 차이에 의하여 간섭을 일으키게 되며, 이를 분석하면 측정하고자 하는 값을 알 수 있게 된다. 즉, 위상은 측정하고자 하는 물리량 (위치, 온도 등)의 변화량에 대해 반응하는 빛의 경로 차이라고 할 수 있다. 가장 간단한 간섭계는 기준광과 신호광이 각각 1개인 반면, 일반적으로 다중 모드 간섭계의 경우 하나의 기준광에 대해 여러 개의 신호광이 존재할 수 있다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr