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[전문가칼럼] 물리량의 초정밀 측정, 광 기반 '양자센싱' 기술
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작성일2023-10-11
[전문가칼럼] 물리량의 초정밀 측정, 광 기반 '양자센싱' 기술
-KIST 임향택 연구원-
1) 한국의 양자 연구의 중심인 한국과학기술연구센터 KIST에서 연구를 하고 있는데, 특히 양자센서 분야를 연구하시게 된 계기가 있다면?
KIST 양자정보연구단에서는 양자정보분야의 세 가지 중요 분야인 양자컴퓨팅, 양자통신, 그리고 양자센싱 연구를 기초부터 응용연구까지 폭넓게 연구하고 있다. 물리학과 출신으로 응용 연구와 함께 기초연구도 함께 수행하고 있으며, 책임연구원으로 광자를 이용한 양자컴퓨팅, 양자통신 및 양자센싱 분야 연구를 모두 수행하고 있다.
2021년도 Nature Communications에 양자센싱 관련 첫 논문을 게재하기 전까지는 주로 양자컴퓨팅 및 양자통신 쪽으로 연구를 하였는데, 다른 주제로 연구를 하던 도중 "다중 모드 N00N 상태"를 생성할 수 있는 방법이 떠올라, 이 양자상태를 이용해서 할 수 있는 연구가 어떤 것이 있는지 찾아보게 되었다. 그러던 중, 다중 모드 N00N 상태를 이용하여 다중 파라미터 양자측정을 할 수 있을 것 같다는 생각이 들어 양자센싱 분야 연구를 시작하게 되었고, 지금은 매우 중요한 연구 주제 중 하나로 자리잡게 되었다.
Hong, S., ur Rehman, J., Kim, YS. 외. 다중 모드 N 00 N 상태를 사용한 양자 강화 다중 위상 추정. Nat Commun 12 , 5211(2021)
2) 양자 기술이 기초연구 단계에서 산업화 단계로 넘어가고 있는데, 양자센서는 특히 정밀함을 바탕으로 실용적인 활용에 바탕이 된다. 센서 기술 이 우리의 생활 분야에 어떤 발전을 가져올 것으로 기대되는가?
양자센서는 측정하고자 하는 물리량 (시간, 길이, 질량, 가속도, 진동수, 자기장, 전기장, 위상, 투과율 등)이 어떤 것이냐에 따라, 그 물리량을 측정하는 영역대 (길이로 보면 m, mm, um, nm, pm 등)에 따라 측정에 더 좋은 물리 플랫폼 (중성원자, 이온덫, 광자, 고체 점결함, 초전도체 등)이 존재한다. 연구하고 있는 광 기반 양자센싱 기술의 경우 중력파를 검출하는 LIGO에 센 레이저의 빛과 양자광의 종류 중 하나인 압축광을 동시에 이용하면 정밀도가 고전광만을 이용하는 경우보다 더 향상되어 중력파 검출에 도움이 된다고 알려져 있다. 그리고 N00N 상태와 같은 양자광을 이용하면 분해능이 좋아지므로 더 정밀한 구조를 볼 수 있다.(양자 현미경)
특히, 살아있는 세포와 같이 센 빛을 샘플에 조사하게 되면 샘플이 죽거나 망가지는 경우에는 우리가 사용할 수 있는 빛의 세기의 한계가 매우 작게 되는데, 양자광을 이용하면 같은 빛의 세기를 이용하여 더 정밀한 측정이 가능하다.(바이오 이미징 센서) 최근에는 멀리 떨어진 여러 지점에 존재하는 양자센서들을 양자얽힘상태를 이용하여 양자센싱 측정을 하면 각 지점에서 따로따로 측정을 하는 것보다 더 정밀한 측정을 할 수 있다는 연구 결과가 있다 [분산형 양자센싱 (Distributed Quantum Sensing)]
양자 다중 파라미터 센싱의 응용 분야. (좌에서 우로) 양자 현미경, 바이오 이미지 센서, 분산형 양자센싱
요즘 양자 머신 러닝에 대해 많은 관심들이 있다. 현대 사회는 수많은 빅데이터를 양산해내고 있으며 우리는 정보의 홍수 속에 살고 있다. 빅데이터를 처리하는 데 있어서 효율적인 샘플링의 장점을 가지고 있는 양자컴퓨터를 활용하는 것은 매우 자연스러우며 이론적으로 양자우위를 보여주는 예들도 다수 있다. 산업 분야에 실용적 응용 사례 개발을 위해서는 적극적인 양자 알고리듬 연구가 필수적이며, 양자 머신 러닝은 미래 금융, 국방, 의료 및 바이오, 신약개발 등 다양한 분야에 파급력이 상당히 크리라고 예상한다.
3) 고전센서 한계를 넘은 양자 센서 '다중 모드 N00N상태'의 기술을 간단히 설명해 달라, 이후 현재 더 진행 중인 연구나 결과가 있는지, 앞으로의 도전 과제가 있는가?
양자센싱 분야에서 오랜 시간 동안 많은 사람들은 하나의 물리량을 고전적인 방법보다 더 정밀하게 측정하는 데 많은 관심을 가지고 연구를 해왔다. 그러나 우리가 관심이 있는 다양한 물리 현상은 하나의 물리량에만 의존하는 것이 아니라 여러 개의 물리량에 의해 결정되는 경우가 대부분이다. 그렇기 때문에 최근에는 여러 개의 물리량을 동시에 측정하는 다중파라미터 측정에 대하여 많은 연구가 이뤄지고 있다. 양자 다중파라미터 측정은 여러 개의 물리량을 양자광을 이용하여 동시에 측정함으로써 고전광을 이용하는 경우보다 더 정밀하게, 각각의 물리량을 따로 측정하는 것보다도 더 정밀하게 측정하는 양자센싱 방법이다.
기존의 하나의 위상을 가장 정밀하게 측정할 수 있는 양자상태는 N00N 상태인데, 이는 간섭계의 두 경로 a, b에 대하여 N개의 광자가 모두 a경로에 모여있거나, 또는 b 경로에 모여있는 두 가지 상태의 중첩, 즉, |Na, 0b>+eiφ|0a, Nb>에 해당한다. 여기서 φ가 간섭계의 위상에 해당하며, N00N 상태는 하나의 위상을 측정할 수 있다. 반면에, 다중 모드 N00N 상태는 N00N 상태의 확장으로써, 예를 들어 네 개의 경로 a, b, c, d에 대하여 N개의 광자가 각 경로에 함께 모여있는 4중모드 N00N 상태는 |Na, 0b, 0c , 0d >+ eiφ1|0a, Nb, 0c , 0d >+ eiφ2|0a, 0b, Nc , 0d >+ eiφ3|0a, 0b, 0c , Nd > 와 같은 상태를 말한다.
이러한 형태의 다중 모드 N00N 상태는 3개의 위상 (φ1, φ2, φ3)을 동시에 정밀하게 측정할 수 있다. 본 연구에서 위와 같은 4중 모드 N00N 상태를 생성하고 이를 이용하여 3개의 위상을 동시에 측정하였고, 고전적인 한계를 뛰어넘는 정밀도의 구현을 실험적으로 확인하였으며, 이는 양자 측정 한계에 도달이 가능한 상태에 해당한다.
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N00N 상태
N00N 상태란 두 개의 광경로 a, b에 대해 N 개의 광자가 진행할 때, N 개의 모든 광자가 a로 진행하는 상태 (b에는 광자가 없는 상태)와 N 개의 모든 광자가 b로 진행하는 상태 (a에는 광자가 없는 상태)가 동시에 존재하고 있는 얽힘 상태이다.
N00N 상태
다중 모드 N00N 상태
N00N 상태가 확장된 상태로 광 경로가 두 개가 아닌 여러 개의 광 경로에 대해서 N 개의 모든 광자가 광 경로 하나로만 진행하는 (나머지 경로에는 광자가 하나도 없는) 상태가 모든 광 경로에 대해서 존재하고 있는 얽힘 상태이다. 예를 들면, N개의 광자와 4가지 경로 a, b, c, d가 존재할 때, N개의 광자가 경로 a에만 존재하고 나머지 경로에는 존재하지 않는 상태, N개의 광자가 경로 b에만 존재하고 나머지 경로에는 존재하지 않는 상태, 마찬가지로 광자가 c, d에 대해서만 존재하고 나머지 경로에는 존재하지 않는 상태가 중첩된 광자의 개수와 광 경로가 얽혀있는 상태이다.
다중 모드 N00N 상태
간섭계 & 위상
간섭계란 빛의 간섭 현상을 이용하여 변위를 측정하는 광학계를 뜻한다. 하나의 빛을 빔 스플리터를 이용해 신호광(Probe Beam)과 기준광(Reference Beam)으로 나누고 서로 다른 경로를 통과하게끔 한 다음, 두 개의 광측정기를 이용하여 두 빛의 신호를 각각 받는다. 이 때 신호광의 경로가 측정 대상에 의해 변화할 경우 신호광과 기준광 사이의 경로 차이에 의하여 간섭을 일으키게 되며, 이를 분석하면 측정하고자 하는 값을 알 수 있게 된다. 즉, 위상은 측정하고자 하는 물리량 (위치, 온도 등)의 변화량에 대해 반응하는 빛의 경로 차이라고 할 수 있다. 가장 간단한 간섭계는 기준광과 신호광이 각각 1개인 반면, 일반적으로 다중 모드 간섭계의 경우 하나의 기준광에 대해 여러 개의 신호광이 존재할 수 있다.
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이후 후속 연구로 고려하고 있는 것은 광손실 (photon loss)이나 결풀림(decoherence, 주변과의 상호작용으로 양자중첩 및 양자얽힘이 줄어드는 현상)과 같은 잡음(Noise)이 있을 때에도 고전 한계를 넘어 양자 이득을 얻을 수 있는 양자 다중 파라미터 측정 연구를 수행하고 있다. 현재 표준과학연구원의 이창협 박사 연구팀, 중앙대학교 물리학과의 홍성진 교수 연구팀, 그리고 한양대학교 물리학과의 이광걸 교수와 함께 연구책임자를 맡아 올해 4월부터 오는 25년 12월까지 수행하게 되는 정보통신기획평가원(IITP) 광기반 양자센싱 과제를 수주하여 연구를 진행하고 있다. (과제명: 결풀림 및 광손실 극복 가능한 다중파라미터 양자광 기반 센싱 기술개발)
지금까지 고려했던 많은 연구들은 이상적인 상황에서의 양자센싱에 대해서지만, 실환경에서는 광손실이나 결풀림이 존재하고, 광손실 및 결풀림의 정도가 크면 양자이득이 줄어들게 되고 심지어 고전적인 방법보다 정밀도가 떨어지는 현상이 발생할 수 있다. 실 환경에서도 여전히 고전적인 센싱 방법보다 더 정밀하게 측정하는 방법을 찾고, 구현하는 것이 현재 가장 도전적이고 중요한 연구 목표이다.
4) 추후 양자 전문가들의 인력이 부족할 것이라 예상되는데, 전 세계에서 양자센서의 흐름은 어떤지, 양자 인력을 늘리고자 어떤 지원이나 노력이 필요할까?
2010년대 중반을 지나면서 점차 양자정보 분야에 대한 세계적인 관심이 증가하고 있으며 양자기술이 갖는 파급력이 매우 클 것으로 기대되고 있다. 이로 인하여 미국, 중국, 유럽, 일본 등 거의 전 세계의 모든 나라에서 양자기술에 대한 많은 투자와 지원을 하고 있다. 특히 IBM, Google, Amazon, Microsoft와 같은 글로벌 IT 기업에서도 양자컴퓨터를 개발하기 위해 많은 투자를 하고 있으며, IONQ, Xanadu, Quandela 등 새롭게 양자기술을 기반으로 창업한 회사들이 등장하고 있다. 양자컴퓨팅뿐만 아니라 양자통신, 양자센싱 분야에서도 다양한 스타트업 회사부터 중견-대기업에 이르기까지 많은 관심을 가지고 있다. 하지만 현장에서 요구하고 있는 많은 인력 대비 실제로 양자정보 분야를 전공한 이공계 인력들의 숫자가 턱없이 부족한 상황이다. 그렇지만 이러한 부족한 숫자를 인위적으로 늘리는 것은 부작용이 클 수 있기 때문에, 양자정보 분야에 관심이 많은 학부생, 대학원생들이 양자정보 분야의 연구자로 성장할 수 있도록 많은 지원을 해주어야 하며, 또한 양자정보 분야 전공이 아닌 연구자들도 관심이 있다면 양자정보 분야로 들어올 수 있도록 하는 다양한 프로그램이 있어야 한다고 생각한다. KIST 양자정보연구단에도 양자정보 분야를 전공하기 위해 많은 대학원생과 박사 후 연구원들이 찾아오고 있다. 지속적이고 안정적으로 꾸준한 지원을 하고, 조금만 더 시간을 준다면 이러한 인력 부족 현상은 수년 내로 많이 완화가 될 수 있을 것으로 생각된다.
5) 양자센서 산업계 종사를 희망하는 미래 동료들에게 자유롭게 한마디
양자컴퓨팅 개발의 경우 현재 초전도체, 광자, 이온덫(이온트랩), 중성원자 등 다양한 플랫폼 기반의 양자컴퓨팅 시스템이 서로 경쟁하고 있다. 현재는 크게 앞서거나 뒤서는 플랫폼이 없으며, 미래의 양자컴퓨터가 어떤 플랫폼으로 개발될 지는 아무도 모른다. 하지만 분명한 것은 양자컴퓨터의 경우 최종적으로 특정 플랫폼 하나를 기반으로 하여 완성된 양자컴퓨팅 시스템이 나올 확률이 크다. 아직 먼 미래이지만, 양자컴퓨팅에는 승리하는 플랫폼과 그렇지 않은 플랫폼이 존재할 것으로 예상된다.
반면, 양자센서의 경우는 다르다. 위에서도 언급했지만 양자센서는 측정하고자 하는 물리량의 종류, 그리고 그 물리량을 측정하는 영역대에 따라 측정에 더 좋은 물리 플랫폼이 존재한다. 간섭계의 위상 측정, 바이오메디컬 이미징, 분산형 양자센서 네트워크는 광 기반 양자센싱 기술을 반드시 필요로 한다. 그러므로 현재 우리가 연구하고 있는 양자센서 기술은 앞으로도 계속 발전되어 미래의 더 좋은 양자센서 기술이 개발되는 발판이 될 것이라 생각한다.
또한 양자센서는 현재 양자컴퓨팅과 양자통신 대비 가장 산업화에 가깝다고 평가받고 있다. 양자정보의 대표적인 세 가지 응용 기술 중에 대중들에게 가장 주목을 덜 받는 것처럼 보일 수 있지만, 양자센싱 기술도 다른 두 가지 기술만큼 중요한 기술임을 명심하고 즐겁게 연구할 수 있으면 좋겠다.
