[퀀텀 이니셔티브 선봉 ETRI] 〈4〉양자 현미경·양자 광원 구현으로 고전 센싱 넘어선다

ETRI 내 양자 광학 측정을 위해 구성한 측정 장치들.

양자 센싱은 다양한 물리량 측정에 활용되는 양자기술 응용 영역이다.

양자 특성을 갖는 큐비트 등 자원을 활용해 중력, 시간, 자기장, 전기장 등 물리량을 보다 면밀하게 살필 수 있다. 센싱 기술을 몇 단계 높은 수준으로 끌어올릴 수 있다.

한국전자통신연구원(ETRI·원장 방승찬)은 과학기술정보통신부, 정보통신기획평가원(IITP), 한국연구재단 후원에 힘입어 이 분야에서도 도약을 준비하고 있다. 특히 광기반 센싱에 주력하며 집적화 기술에 강점을 갖고 있다.

양자 현미경 구현은 ETRI의 핵심 연구내용이다. '얽힘 광원'을 이미징에 활용해 기존 현미경보다 높은 분해능과 감도를 얻을 수 있다. 얽힘 광원은 시간적, 공간적인 상관 관계를 가지는 한 쌍의 광자를 말한다. 이를 활용하면 대상으로부터 더 정밀한 정보를 알 수 있다.

예컨대 광량이 굉장히 낮거나, 외부잡음이 많은 환경에서도 이미징이 가능하다. 고전 현미경으로는 포착할 수 없는 상태에서도 가능하다. 강한 빛을 받으면 변하는 생체시료 이미징 등에도 장점이 있다. 또 고전 현미경은 파장의 약 절반 이하 크기 대상은 구별이 불가능한데, 얽힘 광원을 이용하면 분해능 향상을 기대할 수 있다.

연구진은 이를 실험실 환경을 넘어, 실환경의 테이블톱 현미경 형태에 적용할 수 있을 정도로 소형화하는 것을 목표로 연구를 진행하고 있다. 연구진은 양자 현미경 기술을 기반으로 원거리의 물체를 탐지하는 양자 라이다(LiDAR) 구현에도 힘을 기울이고 있다. 양자 기반 라이다는 기존보다 높은 감도를 얻을 수 있어 산업·국방 분야 활용성이 높다.

양자 센싱과 관련해 양자 시스템 구현에 필수적인 양자 광원 기반 고감도 측정 및 이미징 구현 기술 등도 연구하고 있다. ETRI 연구진은 양자 정보 기술의 근간이 될 수 있는 다양한 소재, 소자·부품 및 장비 기술도 연구하고 있다.

소자로서는 단일광자 및 얽힘광자쌍 광원, 파장변환 소자, 고속 위상변조 소자, 단일광자 검출기, 고체점결함 큐비트 소자 등을 개발하고 있다. 집적화 기술 측면에서는 국내 최고 수준이다.

박막 리튬 나이오베이트, 실리콘, 인화 인듐, 실리카 등 물질 플랫폼들을 다루며, 다양한 공정을 기반으로 소자 및 부품 기술을 연구하고 있다. 그리고 다양한 기능을 갖는 다수 양자광학 소자를 하나의 칩에 집적해 실제 시스템에 활용할 수 있는 집적형 광소자 모듈 형태로 발전시켜 나갈 계획이다.

또 ETRI는 20년 이상 기술력이 축적된 실리콘 팹 및 화합물 팹 인프라, 관련 공정 장비들을 보유하고 있다. 지속적인 공정 장비 개선과 숙련된 연구원의 결합으로 세계 수준의 고품질 양자 소자 및 부품 개발에 도전하고 있다. 우수 성과를 창출할 수 있을 것으로 기대된다.

고영호 ETRI 양자센서연구실 기술총괄은 “양자기술은 기존 센싱 기술 발전에 새로운 돌파구를 마련할 수 있다”며 “고효율 양자 광원 소자를 만들고, 실환경의 양자 센싱 시스템을 개발해 관련 산업 및 기술 발전에 이바지할 수 있기를 바란다”고 말했다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com