표준연구원 '양자얽힘' 이용한 새 광학 측정 센서 개발

비검출광자 양자센서로
3차원 구조물 비파괴 측정
국제학술지에 게재 주목

[대전=뉴시스] KRISS가 개발한 비검출광자 양자센서 구조.(사진=KRISS 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 한국표준과학연구원(KRISS)은 양자얽힘 현상을 이용해 적외선 영역의 변화를 가시광에서 측정할 수 있는 새로운 양자센서를 개발했다고 25일 밝혔다.

광자입자 둘 이상이 양자얽힘 현상으로 연결되면 거리와 상관없이 서로 연관된 양자상태를 갖는다. 이번에 개발한 비검출광자(undetected photon) 양자센서는 이 양자얽힘 현상을 만드는 두 개의 광원을 이용하는 원격 측정센서다.

비검출광자 양자센서는 측정대상에 도달했다가 돌아오는 광자인 비검출광자를 직접 측정하는 대신 양자얽힘에 의해 한쌍으로 얽혀 있는 다른 하나의 광자를 측정해 대상물의 정보를 파악한다.

이번에 KRISS가 개발한 비검출광자 양자센서의 핵심은 광검출기와 간섭계다. 광검출기(photodetector)는 빛을 전기신호로 변환해 출력하는 장치로 기존 고성능 광검출기들의 활용범위는 대체로 가시광 영역에 국한됐다.

적외선 영역의 파장은 다양한 분야의 측정에 유용하지만 사용할 수 있는 검출기가 없거나 성능이 크게 떨어졌다. 이번 성과는 가시광 검출기를 이용해 적외선 대역에서 빛의 상태를 측정하는 방식으로, 고비용·고전력소모 장비 없이도 효율적인 측정이 가능하다.

3차원 구조물의 비파괴 측정, 바이오 측정, 가스 조성 분석 등에 폭넓게 쓰일 수 있다.

또 정밀 광측정의 또다른 기본 요소인 간섭계는 여러개의 경로로 갈라진 빛을 합치면서 신호를 얻는 장치다. KRISS가 개발한 센서는 측정대상에 따라 빛의 경로를 유연하게 바꿀 수 있는 복합 간섭계를 채택해 확장성이 대폭 향상됐다.

측정대상의 크기나 모양에 맞춰 센서를 변형할 수 있기 때문에 다양한 환경에 적용하기 유리하다.

KRISS 양자광학그룹은 양자센서의 핵심 성능지표를 결정짓는 요소에 대한 이론적 분석을 제시하고 복합 간섭계를 이용해 실험적으로 증명하는데 성공했다.

연구진은 적외선 대역의 빛을 3차원 구조의 측정샘플에 반사시킨 후 양자얽힘으로 연결된 가시광 대역의 광자를 측정해 샘플의 깊이와 너비를 포함한 이미지를 얻어냈다. 이는 3차원 적외선 이미지를 가시광 측정으로 재구성하는 데 성공했다는 의미다.

KRISS가 주도하고 KAIST 물리학과의 협력으로 진행된 이번 연구는 성과는 국제학술지 '퀀텀 사이언스 앤 테크놀로지(Quantum Science and Technology, IF: 6.70)' 2024년 1월호에 게재됐다. (논문명:Quantum Optical Induced-Coherence Tomography by a Hybrid Interferometer)

박희수 KRISS 양자광학그룹장은 "이번 성과는 양자광학 원리를 이용해 기존 광학센서의 측정 한계를 돌파한 사례"라며 "센서의 측정시간을 단축하고 분해능을 높여 실용화를 위한 후속 연구를 이어가겠다"고 말했다.

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