국내 연구진이 광자 여러 개가 특정 경로에 얽혀 있는 특수한 양자 얽힘 상태(다중 모드 N00N 상태)를 센서에 적용, 정밀도·해상도를 동시에 높일 수 있는 초고해상도 분산형 양자센서를 처음으로 구현했다.

한국과학기술연구원(KIST) 양자기술연구단 임향택 박사팀은 21일 '다중 모드 N00N 상태'를 분산형 양자센서에 적용, 양자기술이 도달할 수 있는 최고 수준 정밀도인 '하이젠베르크 한계'에 근접한 성능을 달성했다고 밝혔다.

이 연구는 국제 학술지 피지컬 리뷰 레터스(PRL) 최신 호에 게재됐다.

정확한 계측은 바이오 이미징, 반도체 결함 진단, 우주 관측 등 첨단 과학기술의 핵심 기반이지만 기존 계측 센서 기술은 고전 자원을 활용할 때 달성할 수 있는 최대 민감도 한계(표준 양자 한계) 때문에 정밀도·해상도 향상에 제한이 있었다.

이 한계 극복을 위한 대안으로 멀리 떨어져 있는 여러 센서를 거대한 양자 시스템처럼 연결, 동시에 정밀 측정을 할 수 있는 '분산형 양자 센서'가 주목받아왔지만, 고해상도 이미징 분야로의 확장 가능성은 충분히 검증되지 못했다.

특히 기존의 분산형 양자 센서 연구는 단일 광자 얽힘 상태를 주로 사용해 정밀도는 높일 수 있었지만, 간섭 패턴을 정밀하게 구분해야 하는 고해상도 측정에는 한계가 있었다고 연구팀은 설명했다.

이들은 이 연구에서 빛의 간섭 무늬를 촘촘하게 만들 수 있는, 4개 경로에 얽혀 있는 2광자 다중 모드 N00N 상태를 생성하고, 이를 이용해 정밀도와 해상도를 동시에 높일 수 있는 초고해상도 분산형 양자센서 네트워크를 구현했다.

이 양자센서 네트워크로 서로 다른 두 개의 위상 정보를 동시에 측정한 결과, 정밀도가 기존 방식보다 약 88%(2.74㏈) 높아져 이론뿐 아니라 실제 실험에서도 하이젠베르크 한계에 근접한 성능을 보였다.

연구팀은 이 성과는 생명과학, 반도체 산업, 정밀의료, 우주 관측 등 정밀 계측이 필요한 모든 분야에 폭넓게 응용될 수 있다며 우리나라가 양자센서 분야에서 국제 경쟁력을 확보하는 데 기여할 수 있을 것이라고 말했다.

임 박사는 "이 성과는 양자 얽힘 기술을 바탕으로 한 실용적인 양자 센서 네트워크의 가능성을 입증한 것"이라며 "향후 실리콘 포토닉스 기반의 양자 칩 기술과 결합하면 일상생활 속 다양한 분야에도 적용될 수 있을 것"이라고 말했다.