'양자 얽힘'으로 파장대 넘나들며 빛의 상태 관측

한국표준과학연구원

복합 간섭계 실험장치의 펌프 레이저와 함께 광정렬을 수행하는 연구팀. 표준연 제공

국내 연구진이 양자얽힘 현상을 이용해 적외선 영역의 변화를 가시광에서 측정할 수 있는 양자센서를 개발했다. 

한국표준과학연구원(KRISS)은 양자기술연구소 양자광학그룹 연구팀이 저비용으로도 적외선 광측정이 가능한 양자센서를 개발해 국제 학술지 '퀀텀 사이언스 앤 테크놀로지' 1월호에 발표했다고 25일 밝혔다.

광검출기는 빛을 전기신호로 변환해 출력하는 장치다. 기존 고성능 광검출기는 대체로 가시광 영역에 국한됐다. 적외선 영역 파장은 측정할 검출기가 없거나 있다 해도 성능이 크게 떨어지는 수준이었다. 

연구팀은 가시광 검출기로 적외선 대역의 상태를 측정하는 비검출광자 양자센서를 개발했다. 가시광 광자와 양자얽힘 상태로 연결된 적외선 광자를 원격으로 측정하는 방식이다.

빛의 최소 단위인 광자 입자가 양자얽힘 현상으로 연결되면 두 입자의 거리와 관계없이 서로 연관된 양자 상태가 된다. 입자 하나가 넘어지면 그 입자와 얽힘 상태인 다른 입자도 동시에 넘어지는 식이다.  

연구팀이 개발한 비검출광자 양자센서는 양자얽힘 현상을 만드는 두 개 광원을 이용했다. 비검출광자는 측정대상에 도달했다가 돌아오는 광자다. 비검출광자 양자센서는 이 광자를 직접 측정하는 대신 이와 한 쌍으로 얽혀있는 다른 하나의 광자를 측정해 대상에 대한 정보를 파악한다.

적외선 영역의 비검출 광자(아이들러)가 측정 대상에서 반사돼 광원으로 되돌아오면 간섭신호가 발생한다. 이때 가시광 광검출기를 통해 적외선 광자와 얽힘 상태에 있는 가시광 광자의 신호를 검출한다. 두 광자는 연결돼 있기 때문에 적외선 광자를 직접 검출하지 않고도 빛의 상태를 알 수 있다.

연구팀은 적외선 대역의 빛을 3차원 구조의 측정 샘플에 반사시킨 후 양자 얽힘으로 연결된 가시광 대역의 광자를 측정했다. 이를 통해 샘플의 깊이와 너비를 포함한 이미지를 얻어냈다. 3차원 적외선 이미지를 가시광 측정으로 재구성하는 데 성공한 것이다. 

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

[박건희 기자 wissen@donga.com]