적은 광자 수로 민감도 최대치 '양자센싱' 기술 개발

KIST

적은 광자 수로 멀리 떨어져 있는 공간의 물리량을 측정하는 양자 센싱 기술이 개발됐다. 게티이미지뱅크 제공

국내 연구진이 적은 광자 수로도 기존 센서보다 높은 정밀도로 측정할 수 있는 분산형 양자센싱 시스템을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 임향택 양자정보연구단 책임연구원 연구팀이 중앙대, 한국표준과학연구원 등과 공동으로 높은 정밀도의 분산형 양자센서를 구현하는 데 성공해 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스'에 지난 11일 공개했다고 16일 밝혔다. 

양자센서는 양자컴퓨팅, 양자통신과 함께 치열하게 연구되고 있는 양자기술의 한 분야다. 양자중첩, 양자얽힘과 같은 양자역학 원리를 활용해 자기장, 온도, 압력, 중력 등의 물리량을 더 정확하고 민감하게 측정할 수 있게 한다. 

양자얽힘 상태에 있는 물질의 상태는 무조건 같다. 물질 하나는 서울에, 다른 하나는 부산에 있어도 두 물질이 얽힘 상태라면 한 물질이 받는 영향을 다른 물질도 똑같이 받는다. 양자센싱 기술은 공간적으로 떨어져 있는 두 물질을 얽힘 상태로 만들어 물리량을 동시에 측정한다면 물질을 각각 측정할 때보다 정확도를 높일 수 있다는 원리에서 출발한다.

이중에서도 연구팀이 개발한 분산형 양자센서는 넓은 영역에 분산된 여러 개의 변수를 기존 센서보다 높은 정밀도로 측정할 수 있는 시스템을 말한다. 공간적으로 분산돼 있는 여러 개의 물리량을 정밀하게 측정하는 방법이지만 이를 위해선 측정하고자 하는 물리량보다 광자 수가 많거나 같아야 한다는 제약이 있다. 

얽힘 상태에 있는 광자 한 쌍을 분배하면 공간 수보다 적은 광자로도 동시에 물리량을 측정할 수 있다. 연구팀 논문 갈무리

연구팀은 측정하고자 하는 물리량보다 적은 광자 수로도 양자의 최대 얽힘 상태를 만들 수 있음을 실험적으로 구현했다. 얽힘 상태에 있는 2개의 광자로 서로 멀리 떨어진 4개 위상에서의 물리량을 측정할 수 있음을 확인했다.   

기존 방법대로라면 네 지점의 물리량을 측정하기 위해선 각 지점에 광자 1개씩, 광자 총 4개가 있어야 한다. 광자 4개 모두가 얽힌 상태가 돼야 분산형 양자센싱이 가능하다고 보는 것이다. 

연구팀은 얽힘 상태인 광자 2개를 빔 분할기 네트워크(BSN)를 통해 공간 4개에 분배했다. 이를 통해 서로 얽혀있는 광자 2개가 4개 공간에 동시에 존재하는 상태를 만들었다. 이어 분산된 공간의 평균값을 동시에 측정했다. 그 결과 양자얽힘을 이용해 얻을 수 있는 최대 민감도의 한계인 '하이젠베르크' 한계에 도달했음을 확인했다. 2개의 광자만으로 서로 떨어진 공간 4곳의 물리량을 측정하면서 최대 민감도까지 구현하는 데 성공한 것이다.  

연구를 이끈 임 책임연구원은 "얽힘 상태의 광자를 여러 개 생성하는 과정은 매우 어렵기 때문에 적은 광자 수만으로 최대 얽힘 상태를 구현해 정밀도를 높일 수 있도록 했다"고 설명했다.  

이처럼 개발된 양자센서 시스템은 여러 위치에서 동시에 발생하는 신호를 종합적으로 수집하는 기술에 응용될 수 있다. 초미세 암 발견 등의 진단, 배터리의 불량 측정, 지진 감지, 자기장 측정을 위한 센서로도 활용될 전망이다. 

임 책임연구원은 "적은 자원으로도 표준 양자 한계를 뛰어넘는 측정이 가능한 분산형 양자센싱 핵심원천기술을 선점해 세계 시간 동기화, 초미세 암 발견 등의 실용적인 기술로 뻗어나가기를 기대한다”라고 밝혔다.

[박건희 기자 wissen@donga.com]