국내 양자 센서의 퀀텀 점프

윤석진 한국과학기술연구원(KIST) 원장은 올해 1월 양자정보연구단 임향택 박사팀이 국내외 연구기관과 협력해 표준양자한계를 뛰어넘는 정밀도를 가진 분산형 양자 센서를 구현하는 데 성공했다고 밝혔다. KIST 연구팀은 분산형 양자 센싱 시스템을 이용해 측정하고자 하는 대상이 넓은 영역에 분포되어 있더라도 양자역학으로 도달할 수 있는 가장 높은 정밀도로 현상을 측정할 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 

연구팀은 양자 얽힘 상태인 벨 상태(Bell States, 정규 직교 기저에서 최대로 얽혀 있는 상태)로부터 서로 멀리 떨어져 있는 네 공간에 동시에 존재하는 중첩된 최대 얽힘 상태를 실험적으로 생성한 후, 이를 적용해 ‘하이젠베르크 한계’에 도달했다. 현재의 계측 방법으로는 광자 수를 늘리면 정밀도가 제곱근 비율로 증가하는 표준 양자 한계에 도달하는 데 반해, 양자 계측 방법으로는 정밀도를 광자 수에 비례하는 정도까지 높일 수 있다. 이를 불확정성 원리를 발견한 이의 이름을 붙여 ‘하이젠베르크 한계’라고 부른다. 연구팀은 하이젠베르크 한계에 도달한 것은 매우 높은 정밀도의 측정이 가능해졌음을 의미한다고 설명했다.

광자 개수가 작은 경우에서 프로토콜의 실험이 성공한 것 또한 의미가 깊다. 기존 방법은 높은 정밀도를 위해 많은 수의 광자가 필요하다. 또한, 광자가 많아질수록 장비의 복잡성, 소모 에너지, 비용도 상승한다. 그런데 KIST 연구팀이 구현한 분자형 양자 센싱 시스템은 적은 자원으로도 대상을 정밀하게 측정할 수 있다. KIST 보도팀은 해당 프로토콜이 산업화를 위한 센싱 기술로의 활용이 기대된다고 전했다.

분산형 양자 센서 시스템이 구현되면 시각 동기화는 물론 초미세 암 발견 등의 진단, 배터리의 불량 측정, 지진 감지, 자기장 측정 등 폭넓게 활용할 수 있다. 몸속 세포 간 거리를 서울-부산 간 거리가 축소된 상황으로 생각한다면, 이는 더욱 정밀한 초미세 암 발견 진단 등에 도움이 될 수 있다는 게 KIST 보도팀의 설명이다. 연구를 주도한 임향택 박사는 "표준 양자 한계를 뛰어넘는 측정이 가능한 분산형 양자 센싱 핵심 원천기술을 선점해 세계 시간 동기화, 초미세 암 발견 등의 실용 기술로 뻗어 나가기를 기대한다"라고 밝혔다.

주요 양자 센서 기술

이동헌 고려대학교 물리학과 교수는 ‘정보통신기획평가원(IITP) 주간기술동향 1960호’에 ‘양자 센서 연구 동향 및 활용 전망’ 보고서를 발표했다. 이동헌 교수에 따르면, 양자 센싱은 넓은 의미에서 양자 효과를 이용하여 고전 센서로는 얻을 수 없는 높은 민감도와 분해 능력으로 다양한 물리량을 측정하는 기술이다. 큐비트 등 양자 상태를 정밀하게 계측하는 것은 모든 양자 기술의 토대이므로 양자 센싱 기술은 양자 컴퓨팅, 양자 통신과 같은 중장기 대현 기술 실현의 토대가 될 수 있다. 고전 센서가 극복할 수 없는 양자 한계 이하의 미세 신호를 측정함으로써 기초 연구뿐만 아니라 ICT, 산업, 의료, 국방 등 다양한 센싱 및 이미징 분야에 활용 가능하다.  

양자 센서의 기본 원리는 센서와 탐지 대상 물체 사이의 상호작용을 통해 발생하는 미세한 양자 위상변화(Quantum Phase Accumulation)를 측정하는 것이다. 이때 중첩, 이중성, 얽힘과 같은 미시 세계의 양자역학적 특성들이 측정 기술로 활용된다. 이 교수는 양자 센싱은 측정 대상과 센서의 종류에 따라 다양하게 분류되며, 일반적으로 큐비트와 같은 양자 시스템을 사용해 시간, 자기장 등의 물리량을 정밀하게 측정한다고 부연했다. 

큐비트(qubit)는 0, 1의 양자 상태로 이루어진 2준위계(two-level system)로 다양한 게이트를 통해 임의 중첩 상태를 만들 수 있다. 외부 대상으로부터 발생한 신호로 큐비트 상태가 변화하고, 이에 따른 상대적 위상 변화를 측정해 신호의 크기, 주파수 등의 정보를 얻는다. 

양자 센싱은 총 7단계의 과정을 거쳐서 이뤄진다. ①센서 큐비트 초기화 ②임의의 중첩 상태로 변환 ③신호와의 상호작용으로 인한 큐비트 상태 변화 ④큐비트 상태를 읽어 들일 수 있게 변환 ⑤투사 측정(Projection readout)을 통해 0, 1큐비트 상태를 확률적으로 측정하는 과정을 거친다. 그리고 ⑥앞선 과정을 반복하여 의미 있는 평균값을 확보하고 ⑦측정 평균값으로부터 신호 크기, 방향, 주파수 등을 추정한다. 이 교수는 대상 신호의 주파수에 따라 ②~④ 과정에 다른 프로토콜이 사용된다고 말했다.

양자 센서의 종류

이동헌 교수는 같은 보고서에서 양자 센서의 종류와 이를 이용하여 측정할 수 있는 물리량은 매우 다양하며 특정 물리량에 최적화된 양자 센서가 존재한다고 설명했다.

힘, 관성, 변위를 측정하는 데 사용하는 양자 센서의 대표적인 예는 중력계(gravitymeter)다. 중력계는 중력가속도를 정밀하게 측정하는 장치로 광학간섭계와 원자간섭계가 있다. 특히 원자간섭계를 활용한 양자 중력 센서는 소형화 및 이동성을 갖추어 휴대가 가능하며, 국소 지역의 미세한 중력가속도 변화를 측정할 수 있다. 이런 양자 중력 센서는 화산 활동 및 지진 관측, 광물 및 석유의 지하 매장량 분석, 싱크홀 및 건물 지반 안정성 평가 등 광범위한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

회전각과 속도를 측정하는 데 사용되는 대표적인 센서는 자이로스코프(gyroscope)이다. 자이로스코프는 주로 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)나 링 레이저 형태의 센서가 많이 사용되어 왔는데, 최근 원자나 스핀 큐비트 기반의 양자 센서 연구가 활발히 진행되면서 기존보다 크기는 더 작지만 더 민감하게 탑재된 이동체의 위치, 속도, 자세 등의 변화를 감지하는 센서로 주목받았다. 자이로스코프 양자 센서는 항해, 항공, 무인 자동차, 드론, 로봇에 이르기까지 다양한 분야에서 활용할 수 있다.

자기장 크기와 방향을 측정하는 센서인 자력계(magnetometer)는 홀 프로브(Hall probe), MEMS 형태의 고전 센서로부터 초전도 양자 간섭 소자 자력계(SQUID, Superconducting Quantum Interface Device), 원자 증기 셀(Atomic Vapor Cell), 다이아몬드 NV(Nitrogen-Vacancy) 센터의 양자 센서까지 다양하다. 자력계는 측정 방법에 따라 원리가 다양하며, 그 중 SQUID는 초전도체의 양자 간섭 효과를 이용한다. SQUID 자력계는 초전도 루프와 병렬로 연결된 두 개의 조지프슨 접합부로 구성되어 있다. 외부 자기장의 작은 변화는 절연층인 접합부를 가로지르는 전압에 상당한 변화를 불러오며, 이를 민감한 전압계를 사용하여 측정할 수 있다. 이를 통해 SQUID는 자기장의 변화를 정확히 측정할 수 있다. 양자 자력 센서는 지자기장 보정, 나노 자기공명영상(MRI), 지구의 자기장 관측과 우주 탐사, 금속 탐지 등 다양한 분야에 활용 가능성을 보인다. 

양자 센싱 시장의 전망

양자 센싱을 비롯한 양자 기술에 대한 관심이 급증하면서 전 세계 정부의 연구개발(R&D) 투자 규모도 빠르게 증가하고 있다. 미국은 2019년부터 10년 동안 National Quantum Initiative를 통해 양자 기술 전 분야에 약 1.5조 원을 투자하고 있다. 유럽 연합은 Quantum Technologies Flagship을 통해 2018년부터 10년간 총 1.3조 원의 연구비를 지원하며, 광기반 양자시계, 원자 증기 셀 기반 각속도/자기장/시계, 다이아몬드 NV 센터 기반 MRI 이미징, 다이아몬드 NV 센터 기반 자기장/전기장/온도/압력 센서 등 총 4개의 양자 센싱 프로젝트를 진행하고 있다. 중국은 2020년 오픈을 목표로 총 12조 원 규모의 National Lab for Quantum Information Sciences 거대 연구센터를 설립하여 양자 기술 전반에 대한 지원을 계획하고 있다.

문한섭 부산대 물리학과 교수는 올해 5월 ‘미래 산업의 게임체인저 퀀텀’을 주제로 강연한 바 있다. 문 교수는 신약후보물질 탐색, 자율주행 등 양자 기술의 활용 범위가 무궁무진하기 때문에 해당 기술이 경제, 안보, 일상에 미치는 파급력이 크다고 전했다. 문 교수는 국내 양자 산업의 발전에 대해 “우리나라의 제조·서비스 산업 역량과 ICT 인프라는 양자 강국 도약의 원천”이라며 “새로운 국가 성장 모멘텀으로 양자과학기술의 적극적인 육성이 필요하다”고 강조했다. 

[참고기사]

https://www.kist.re.kr/ko/news/latest-research-results.do?mode=view&articleNo=12427

https://www.yna.co.kr/view/AKR20240425146900017

https://www.hankyung.com/article/2021011392171

[참고자료]

이동헌. 2020. 양자 센서 연구 동향 및 활용 전망

Degen, C. L., Reinhard, F., & Cappellaro, P. (2017). Quantum sensing. Reviews of modern physics, 89(3), 035002.