GIST, 초고해상도 양자분광기 구현 기술 개발

함병승 교수. [사진=GIST]

[이뉴스투데이 고선호 기자] 광주과학기술원(GIST)은 전기전자컴퓨터공학과 함병승 교수가 그동안 독자적으로 구축한 ‘초해상 양자센싱’이론에 기초해 기존 분광기에 탑재 가능한 ‘양자분광기’ 구현 방법을 제안했다고 6일 밝혔다.

‘양자분광기’는 기존 분광기의 물리학적 한계(회절 한계 또는 표준양자한계)를 극복하여 현존하는 어떠한 고전적인 물리 법칙이나 기기로도 달성할 수 없었던 초정밀 측정을 가능하게 한다.

이번 연구는 기존 분광기의 성능을 획기적으로 개선할 위상 감도 및 해상도를 확보함으로써, 양자센서 기술의 새로운 가능성을 제시하고 광학 계측 분야의 패러다임 전환을 예고하고 있다.

기존 광학 분광기는 회절 한계에 의해 주파수 해상도에 제한이 있었다. 그러나 이번 연구에서는 고차 세기 상관관계를 기반으로 하는 위상 제어 기술을 활용해 이 회절 한계를 극복했다.

이번 연구의 가장 큰 성과는 단일광자 기반의 고차원 얽힘 광자쌍을 사용하는 대신, 일반적인 레이저를 활용해 ‘위상조절 세기곱(Phase-Controlled Intensity Product)’이라는 혁신적인 이론을 창안한 것이다. 이를 통해 하이젠베르크 한계를 만족하는 양자분광기를 구현할 수 있는 방법을 제시했다.

위상조절 세기곱은 빛의 위상 정보를 정밀하게 제어하고, 광 강도(intensity)의 고차 상관관계(higher-order correlation)를 결합함으로써 해상도와 측정 감도를 극대화하는 기술이다. 

 연구팀은 수치 시뮬레이션과 실험을 통해 주파수 해상도가 10배에서 최대 100만 배까지 향상될 가능성을 검증했다. 특히, SLM 픽셀 수 K에 비례해 K배 향상된 해상도를 보였으며, 주변 소음에도 강한 안정성을 갖춘 것을 확인했다.

  ∘ 이는 기존 양자 광학 기반 기술이 요구하는 복잡한 장비 없이도 비교적 간단한 구성만으로 양자 수준의 감도와 해상도를 확보할 수 있다는 점에서 큰 의미가 있다.

함 교수는 “이번 연구는 미래 양자센서 기술의 핵심 토대로서 광학 센서, 분광 분석, 양자 정보 처리 등 다양한 첨단 분야에 즉각적인 파급 효과를 미칠 것으로 예상된다”며, “특히 환경 변화에 강한 정밀 계측 장비, 의료용 이미징 기술, 원격 탐사 시스템, 레이다·라이다 등에서 폭넓게 활용될 것”이라고 말했다.