'양자 얽힘' 신개념 양자센서로 적외선 대역 광학측정 한계 돌파 [세상을 깨우는 발견]

표준연, 비검출광자 양자센서로 고성능·저출력 정밀 광측정 성공

[유창재 기자]

▲ 연구진이 복합 간섭계 실험장치의 펌프 레이저와 함께 광정렬을 수행하고 있다. ⓒ KRISS 제공

 
'양자 얽힘' 현상을 이용해 적외선 영역의 변화를 가시광에서 측정할 수 있는 신개념 양자센서가 개발됐다. 이는 비검출광자 양자센서로 적외선 대역에서 고성능·저출력 정밀 광측정하는데 성공하면서 광학 측정의 한계를 돌파한 것이다. 

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 이호성)은 25일 이같이 알리면서 "그동안 고품질 결과물을 얻기 어려웠던 적외선 광측정을 저비용·고성능으로 할 수 있게 됐다"고 밝혔다.

이어 "빛의 최소단위인 광자 입자 둘 이상이 양자 얽힘 현상으로 연결되면 거리와 관계없이 서로 연관된 양자 상태를 갖는다"면서 "이번에 개발한 비검출광자(undetected photon) 양자센서는 이 양자 얽힘 현상을 만드는 두 개의 광원을 이용하는 원격 측정 센서"라고 설명했다. 
 

▲ KRISS가 개발한 비검출광자 양자센서의 구조 적외선 비검출 광자(아이들러)는 측정 대상에서 반사된 후 광원으로 되돌아와서 간섭신호를 만들고, 이 신호는 그와 양자 얽힘 상태에 있는 가시광(시그널)의 간섭신호에 유도되어 검출된다. ⓒ KRISS 제공

  '비검출광자'란 측정대상에 도달했다가 돌아오는 광자를 말하는데, '비검출광자 양자센서'는 이 광자를 직접 측정하는 대신 양자 얽힘에 의해 이와 한 쌍으로 얽혀 있는 다른 하나의 광자를 측정해 대상에 대한 정보를 파악한다.

비검출광자를 이용한 양자센서는 최근 10여 년 사이 실현되기 시작한 초기 단계의 기술로, 아직 성숙도가 낮아 세계적으로 활발한 기술 개발 경쟁이 이루어지고 있는 상황이라고 한다. 이번에 KRISS가 개발한 비검출광자 양자센서의 차별점은 광측정장치의 핵심 요소인 광검출기(photodetector)와 간섭계다.
 

▲ 비검출 광자 양자센서를 위한 복합 간섭계 실험장치 ⓒ KRISS 제공

 
KRISS에 따르면, 광검출기는 빛을 전기 신호로 변환해 출력하는 장치다. 기존 고성능 광검출기들의 활용 범위는 대체로 가시광 영역에 국한됐다. 적외선 영역의 파장은 다양한 분야의 측정에 유용하지만 사용할 수 있는 검출기가 없거나 성능이 크게 떨어졌다. 

하지만 이번 성과는 가시광 검출기를 이용해 적외선 대역에서 빛의 상태를 측정하는 방식으로, 고비용·고전력소모 장비 없이도 효율적인 측정이 가능하다는 장점이 있다. 이 기술은 3차원 구조물의 비파괴 측정, 바이오 측정, 가스 조성 분석 등에 폭넓게 쓰일 수 있을 것으로 기대하고 있다. 
 

▲ 연구진이 복합 간섭계 실험장치의 펌프 레이저와 함께 광정렬을 수행하고 있다. ⓒ KRISS 제공

 
정밀 광측정의 또다른 기본 요소인 '간섭계'는 여러 개의 경로로 갈라진 빛을 합치면서 신호를 얻는 장치라고 한다. 기존의 비검출광자 양자센서는 빛의 경로가 단순한 마이켈슨 간섭계를 주로 사용해 측정할 수 있는 대상에 한계가 있었다. 

KRISS가 이번에 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 유리하다고 강조했다. 

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

무엇보다 연구진은 적외선 대역의 빛을 3차원 구조의 측정 샘플에 반사시킨 후 '양자 얽힘'으로 연결된 가시광 대역의 광자를 측정해 샘플의 깊이와 너비를 포함한 이미지를 얻어내는 성과를 거뒀다. 3차원 적외선 이미지를 가시광 측정으로 재구성하는 데 성공한 것이다. 
 

▲ 비검출광자 양자센서 연구진(좌측부터 KAIST 물리학과 김은미 박사과정생, KRISS 양자광학그룹 이선경 책임연구원, 박희수 그룹장). ⓒ KRISS 제공

 
박희수 KRISS 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 말했다. 

한편, 이번 연구는 KRISS가 주도해 KAIST 물리학과의 협력으로 진행됐으며, KRISS 기본사업과 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업, 과학기술정보통신부 양자정보과학 연구개발생태계 조성사업의 지원을 받았다. 해당 연구 성과는 국제학술지 <퀀텀 사이언스 앤 테크놀로지(Quantum Science and Technology, IF: 6.70)> 2024년 1월호에 게재됐다.