[기계신문] 양자 현상을 이용하면 사물의 위치, 온도, 시간 등의 물리량을 고전적인 정밀 한계를 뛰어넘어 더 정확하게 측정할 수 있으며, 중력파를 검출하는 미국 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)에서도 양자 현상을 이용한 방법을 사용하고 있다.
기존에 측정할 수 없었던 미세한 측정을 가능하게 하는 양자 센서 연구는 양자컴퓨터, 양자통신 연구와 함께 양자정보기술의 주요 분야이며, 미국과 중국을 중심으로 기술 패권 경쟁이 치열하게 전개되고 있다.
또한, 4차 산업혁명에서 정밀 측정, 고감도 센서에 의한 데이터 수집과 이미지, 영상 확보가 중요하며, 이를 위해서는 여러 개의 물리량을 높은 정밀도로 감지하고 측정하는 것이 필수적이다.
최근 한국과학기술연구원(KIST) 양자정보연구단 임향택 박사팀이 실시간으로 변화하는 여러 개의 물리량을 고전적인 한계를 뛰어넘는 높은 정밀도로 측정할 수 있는 양자 센서를 구현했다.
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.
연구팀은 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 성공했다.
KIST 임향택 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.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 한국연구재단 양자컴퓨팅기술개발사업, 기초연구사업-우수신진연구, 정보통신기획평가원 양자암호통신집적화 및 전송기술고도화 사업으로 수행되었으며, 연구결과는 국제 학술지 ‘Nature Communications’ 최신호에 게재되었다.
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