표준연, '양자 얽힘' 이용해 광학 측정 한계 돌파…3차원 구조 비파괴측정 등 활용 기대

연구진이 복합 간섭계 실험장치의 펌프 레이저와 함께 광정렬을 수행하고 있다

한국표준과학연구원(원장 이호성)이 '양자 얽힘' 현상을 이용해 적외선 영역 변화를 가시광에서 측정할 수 있는 신개념 양자 센서를 개발했다. 적외선 광측정을 저비용·고성능으로 할 수 있게 됐다.

빛 최소단위인 광자 입자 둘 이상이 양자 얽힘 현상으로 연결되면 거리와 관계없이 서로 연관된 '양자 상태'를 갖는다. 이번에 개발한 비검출광자 양자센서는 이 양자 얽힘 현상을 만드는 두 개 광원을 이용하는 원격 측정 센서다.

비검출광자란 측정대상에 도달했다가 돌아오는 광자다. 비검출광자 양자센서는 이 광자를 직접 측정하는 대신, 양자 얽힘으로 한 쌍으로 얽혀 있는 다른 하나의 광자를 측정해 대상의 정보를 파악한다.

이번에 개발한 비검출광자 양자센서 차별점은 광측정장치 핵심 요소인 광검출기와 간섭계다.

광검출기는 빛을 전기 신호로 변환해 출력한다. 기존 고성능 광검출기 활용 범위는 대체로 가시광 영역에 국한됐다. 적외선 영역 파장은 다양한 분야 측정에 유용하지만 사용할 수 있는 검출기가 없거나 성능이 크게 떨어졌다.

비검출광자 양자센서 연구진. 좌측부터 김은미 KAIST 물리학과 박사과정생, 이선경 표준연 양자광학그룹 이선경 책임연구원, 박희수 그룹장.

이번 성과는 가시광 검출기를 이용해 적외선 대역에서 빛 상태를 측정하는 방식으로, 고비용·고전력소모 장비 없이도 효율적인 측정이 가능하다. 3차원 구조물 비파괴 측정, 바이오 측정, 가스 조성 분석 등에 폭넓게 쓰일 수 있다.

간섭계는 여러 개 경로로 갈라진 빛을 합치면서 신호를 얻는 장치다. 기존 비검출광자 양자센서는 빛 경로가 단순한 마이켈슨 간섭계를 주로 사용해 측정 대상에 한계가 있었다.

이번 개발 센서는 측정대상에 따라 빛 경로를 유연하게 바꿀 수 있는 복합 간섭계를 채택, 다양한 환경에 적용하기 유리하다.

연구진은 적외선 대역 빛을 3차원 구조 측정 샘플에 반사시킨 후 양자 얽힘으로 연결된 가시광 대역 광자를 측정해 샘플 깊이·너비를 포함한 이미지를 얻어냈다. 3차원 적외선 이미지를 가시광 측정으로 재구성하는 데 성공한 것이다.

박희수 양자광학그룹장은 “이번 성과는 양자광학 원리를 이용해 기존 광학 센서 측정 한계를 돌파한 사례”라며 “센서 측정시간을 단축하고 분해능을 높여 실용화를 위한 후속 연구를 이어갈 것”이라고 밝혔다.

표준연이 한국과학기술원(KAIST) 물리학과와 협력해 진행한 이번 연구는 표준연 기본사업과 국가과학기술연구회(NST) 창의형 융합연구사업, 과학기술정보통신부 양자정보과학 연구개발생태계 조성사업 지원을 받았다. 해당 성과는 국제학술지 '퀀텀 사이언스 앤 테크놀로지' 1월호에 게재됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com