[인더스트리뉴스 최종윤 기자] 4차 산업혁명에는 고감도 센서에 의한 데이터 정밀 측정 및 이미지, 영상 확보가 중요하다. 이를 위해서는 실시간으로 변화하는 사물의 위치, 온도, 시간 등 다양한 물리량을 높은 정밀도로 측정할 수 있어야 하는데, 양자 현상(중첩, 얽힘)을 이용하면 고전 센서로는 측정할 수 없는 값을 측정하거나 측정 정밀도를 높일 수 있다. 이러한 양자 센서 연구는 양자컴퓨터, 양자통신 연구와 함께 양자정보기술의 주요 응용 분야이며, 미국과 중국을 중심으로 기술 패권 경쟁이 치열하게 전개되고 있다.

다중 모드 N00N 상태 생성 방법 [자료=KIST]

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 양자정보연구단 임향택 박사팀이 실시간으로 변화하는 여러 개의 물리량을 고전적인 한계를 뛰어넘는 높은 정밀도로 측정할 수 있는 양자 센서를 구현했다고 밝혔다.

KIST 연구진은 실시간으로 변화하는 여러 개의 물리량을 높은 정밀도로 측정할 수 있는 양자 상태인 ‘다중 모드 N00N 상태’를 구현했다. ‘다중 모드 N00N 상태’는 이론적으로 가장 높은 정밀도를 주는 것으로 알려져 있었지만 구현에 어려움이 있었다.

연구진은 2개의 광자가 4개의 경로로 동시에 진행하고 있는 얽힘 상태인 다중 모드 N00N 상태를 실험적으로 생성하고, 이를 간섭계에 적용함으로써 간섭계가 갖는 여러 개의 위상의 변화량을 고전적 한계를 뛰어넘는 높은 정밀도로 동시에 측정하는 데 성공했다.

본 연구를 주도한 KIST 임향택 박사는 “이번 성과의 핵심 기술인 ‘다중 모드 N00N 상태’는 양자 이미징, 양자 센서 네트워크 등의 기반 기술로 활용돼 양자센싱 분야의 발전에 기여할 수 있을 것”이라며, “구체적으로는 고성능 양자 현미경, 바이오 이미징 센서 등에 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

해당 연구는 과학기술정보통신부(장관 암혜숙)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 한국연구재단 양자컴퓨팅기술개발사업, 기초연구사업-우수신진연구, 정보통신기획평가원 양자암호통신집적화 및 전송기술고도화 사업으로 수행됐으며, 연구결과는 국제 학술지인 ‘Nature Communications’ 최신호에 게재됐다. 다음은 연구팀의 연구결과에 대한 일문일답.

고전적인 방법 (Coherent state) 과 다중 모드 N00N 상태의 측정 불확실도 비교 [자료=KIST]

연구를 시작한 계기나 배경은?

양자 컴퓨팅, 양자 통신 등과 더불어 양자 센싱에 대한 연구가 치열하게 진행되고 있으며, 최근 실용적인 응용을 위해 여러 개의 변화량을 동시에 높은 정밀도로 측정하려는 양자 센싱에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 2013년 물리학 분야의 권위지인 Physical Review Letters에서 가장 높은 정밀도를 주는 양자 상태로 다중 모드 N00N 상태를 이론적으로 제안했지만 구현되지 못하고 있었다. 우리는 다중 모드 N00N 상태를 실험적으로 구현할 수 있는 아이디어를 가지고 있었고, 이를 이용해 여러 개의 위상 변화를 고전적 한계를 뛰어넘는 높은 정밀도로 측정하는 실험에 성공했다.

이번 연구의 핵심 성과를 꼽는다면?

다중 모드 N00N 상태의 구현을 통해 높은 정밀도를 구현했다. 이전까지의 연구는 다중 모드 N00N 상태의 구현의 어려움 때문에 정밀도가 다소 낮은 상태를 이용하는 양자 센서 연구만 존재했다. 또한 얽힘 현상은 양자정보기술의 가장 중요한 특성이지만, 학술적으로 많은 부분이 미지의 영역으로 남아있다. 이번 연구에서는 다중 모드 N00N 상태 생성을 통해 여러 개의 공간과 여러 개의 광자가 최대로 얽혀있는 상태를 구현했다. 이를 통해 미지의 영역으로 남아있는 다광자, 다중 경로의 얽힘 특성에 대한 실마리를 제공할 수 있다.

실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나?

고성능 바이오 이미징에 응용해 현미경에서 본 연구에서 개발한 양자 상태의 광원을 이용하면 움직이는 물체의 위치 등을 더 높은 정밀도로 측정이 가능하다. 아울러 드론 등의 움직이는 물체의 추적(tracking)에 활용할 수 있고, 자율 주행 등에 필요한 실시간으로 주변 상황을 감지하는데도 쓰일 수 있다.

기대효과와 실용화를 위한 과제는?

4차 산업에 필요한 다양한 고성능, 고감도 센서에 활용될 것으로 기대된다. 본 연구에서는 2개의 광자와 4개의 광 경로만을 이용했지만 실용화를 위해서는 더 많은 수의 광자와 더 많은 광 경로가 얽혀있는 상태가 필요할 것으로 예상된다.

[최종윤 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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