양자 레이더 개발 어디까지 왔나?

난제 이어져…탐지범위 확대 등 성능 향상이 관건

2016년 9월 중국이 양자 레이더를 개발했다는 소식이 전해졌다.

중국전자과기집단공사는 제14연구소가 세계 최초로 단광자 검출 기술에 기반을 둔 양자 레이더 시스템을 개발했다고 발표했다.

이 소식은 세계적으로 큰 반향을 불러일으켰다. 스텔스 전투기를 탐지할 정도로 성능이 뛰어난 양자 레이더를 중국이 개발할 경우 미국 등 무기 개발 경쟁을 벌이고 있는 다른 국가들에게 큰 위협이 될 수 있기 때문.

강대국을 중심으로 스텔스 전투기를 찾아낼 수 있는 양자 레이더 개발 경쟁이 가열되고 있는 가운데 각종 난제가 부각되면서 개발 시기가 늦춰지고 있다. ⓒWikipedia

양자 레이더 놓고 미니 군비확장 경쟁

양자 레이더 개발에 있어 대부 역할을 한 사람은 중국인이 아닌 미국인 제프리 샤피로(Jeffrey H. Shapiro) 박사다.

24일 ‘사이언스’ 지에 따르면 그는 12년 전 MIT 교수로 재직하면서 세계 최초로 양자 레이더의 핵심 개념을 창안해 발전시켰다. 그가 양자역학을 통해 레이더의 성능을 획기적으로 확대시켜나갈 수 있다는 것.

그러나 이론이었을 뿐 기술적으로 그것이 가능할지에 대해서는 확신하지 못하고 있었다. 그는 “양자 레이더 시스템을 (기술적으로) 실현하기 위해서는 많은 문제가 있다.”고 생각했다.

하지만 그의 이론은 세계적으로 큰 반향을 불러일으키고 있었다. 많은 과학자들이 그의 이론에 따라 후속 연구를 시작했고, 투자처를 찾고 있던 투자자들은 이 새로운 분야에 막대한 돈을 퍼붓기 시작했다.

그중에서도 민감한 반응을 보인 곳은 무기 개발과 관련된 기관이나 기업들이었다. 그러나 그들의 이면에는 군사적으로 우위를 점하고 있는 강대국들이 있었다.

국가 차원에서 양자 레이더를 타깃으로 한 미니(mini) 군비확장 경쟁이 벌어졌다. 그리고 비밀리에 이루어지고 있던 경쟁에서 우위를 표명한 것이 중국이다. 2016년 9월 세계 최초로 단광자 검출 기술에 기반을 둔 양자 레이더를 개발했다고 발표하기에 이른다.

이 소식이 세계적으로 큰 반향을 불러일으킨 것은 당연한 결과다. 미국은 물론 세계 각지에서 중국에서 실제로 양자 레이더를 개발했는지 그 진위를 묻는 질문이 이어졌다.

그러나 레이더를 연구하던 과학자들은 이 심각한 질문에 명확한 답변을 해줄 수 없었다. 양자 레이더 연구가 초기 수준에 머물고 있는 상황에서 중국의 양자 레이더 개발 소식이 너무 앞서갔기 때문.

캐나다 워털루 대학에서 양자 레이더를 연구하고 있던 물리학자 크리스토퍼 윌슨(Christopher Wilson) 교수는 “소규모의 한정적인 양자 레이더 실험을 하고 있는 상황에서 중국에 양자 레이더에 대한 질문에 답변할 수 없어 애를 먹었다.”고 말했다.

탐지 범위 너무 좁아 실용화는 미지수

양자 레이더 개발과 관련된 이야기는 12년 전인 2008년부터 시작된다.

MIT 양자공학자인 세스 로이드(Seth Lloyd) 교수가 양자 조명(quantum illumination)이란 새로운 개념을 제안했다.

양자역학적으로 보면 하나의 빛줄기는 서로 간섭을 일으키는 두 개의 빛줄기로 구성돼 있는데 양자 조명을 통해 탐지기와 표적에 서로 다른 빛줄기를 보내 기존 레이더에 잡히지 않는 표적의 움직임을 추적할 수 있다는 내용이다.

그리고 7년이 지난 2015년 MIT 연구진은 양자 조명을 시현하기에 이른다. 그리고 정확도를 측정하는 SNR(signal to noise)에 있어 성능이 향상됐음을 확인할 수 있었다.

그러나 실제로 적용하기에는 미약한 수준에 머물고 있었다. 표적을 찾아냈다 하더라도 작은 메아리가 들리는 정도에 불과해 현행 무기 체계에 적용하는 것이 불가능했다. 이런 상황에서 문제를 보완할 수 있는 기술이 잇따라 개발됐다.

그중에는 전자-광역학변환기(electro-optomechanical converter)를 사용해 마이크로파와 광신호를 서로 교환하는 방법, NMR과 MRI 같은 자기공명 기술을 통해 비침범적으로 표적을 검색하는 방법 등이 포함돼 있었다.

목표는 세계 최강 기술로 주목받고 있는 스텔스 무기를 무력화하는데 있었다.  갖가지 기술이 개발되고 있지만 그러나 아직 이렇다 할 기술이 개발돼 난제를 해소하지 못하고 있는 중이다.

스텔스는 한 가지 기술이 아니라 다양한 기술이 포함된 시스템이다. 레이더파를 흡수하는 도료 기술, 레이더파의 반사를 막는 설계 기술, 엔진의 배기가스 배출량을 줄이는 기술 등이 포함돼 적으로부터의 노출을 막고 있다.

그렇다고 해서 레이더로부터 아군의 무기를 완전히 숨겨주는 것이 아니다. 레이더 상에서 실제보다 훨씬 작게, 혹은 축소시켜 나타나면서 적으로 하여금 아군 무기에 대한 착오를 일으키게 한다. 양자 레이더가 성공을 거두기 위해서는 이런 속성들을 극복해야 한다.

문제는 시간이 너무 오래 걸린다는 것이다. 연구에 참여하고 있는 과학자들은 어느 때고 스텔스 전투기를 탐지할 수 있겠지만 지금은 아니라고 보고 있다. 오스트리아 과학기술연구소의 물리학자 요하네스 핑크(Johannes Fink) 박사는 ‘단 시일 내에’ 기술 개발은 힘들 것이라고 말했다.

양자 레이더 개발에 앞서 풀기 힘든 난제들이 연이어 나타나고 있다는 것. 특히 탐지 범위가 너무 좁아 양자 레이더를 실전에 투입하는 것은 시기상조라는 설명이다. 넘어야 할 과제가 잇따라 등장하면서 연구자들을 고민에 빠지게 하고 있다.

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