[이뉴스투데이 백연식 기자] 한국과학기술연구원(KIST)는 양자기술연구단 임향택 박사 연구팀이 ‘다중 모드N00N 상태’라는 특수한 양자 얽힘 상태를 분산형 센서에 적용해 정밀도와 해상도를 동시에 향상시킬 수 있는 초고해상도 분산형 양자 센서 네트워크 기술을 세계 최초로 구현했다고 21일 밝혔다.
기존의 분산형 양자 센서 연구는 단일 광자 얽힘 상태를 주로 사용해 정밀도는 높일 수 있었지만,간섭 패턴을 정밀히 구분해야 하는 고해상도 측정에는 한계가 있었다. KIST연구팀이 활용한 ‘다중 모드N00N 상태’는 여러 광자가 특정 경로에 얽혀 있어 빛의 간섭 무늬를 훨씬 더 촘촘하게 만들 수 있다. 덕분에 해상도가 크게 향상되고 동시에 아주 작은 물리적 변화도 민감하게 감지할 수 있다.
이 기술은 양자 기술이 도달할 수 있는 최고 수준의 정밀도인‘하이젠베르크 한계’에 근접할 뿐만 아니라 초고해상도 이미징으로의 응용 가능성까지 보여줬다. 이는 최근 미국·유럽 등 주요 선진국들이 양자 센서를 차세대 전략기술로 선정하고 막대한 투자를 이어가는 상황에서 우리나라가 국제 경쟁력을 확보할 수 있다는 점에서 큰 의미가 있다.
연구팀은 4개의 경로에 얽힌2 광자 다중 모드N00N 상태를 생성하고, 이를 이용해 서로 다른 두 개의 위상 정보를 동시에 측정하는 실험을 진행했다. 그 결과 기존 방식보다 88% 높은 정밀도(2.74 dB 향상)를 달성해 이론뿐만 아니라 실제 실험에서도 하이젠베르크 한계에 근접한 성능을 입증했다.
이번 성과는 생명과학, 반도체 산업, 정밀 의료,우주 관측 등 정밀 계측이 필요한 모든 분야에 폭넓게 응용될 수 있다. 예를 들어 현미경으로는 관측하기 어려운 세포 내부의 미세 구조를 선명하게 영상화하거나나노미터 단위의 반도체 회로 결함을 탐지하고 일반 망원경으로는 흐릿하게 보이던 먼 우주의 천체 구조를 정밀하게 관측하는 데 활용될 수 있다.
임 박사는 “이번 성과는 양자 얽힘 기술을 바탕으로 한 실용적인 양자 센서 네트워크의 가능성을 입증한 중요한 전환점”이라며 “향후 실리콘 포토닉스 기반의 양자 칩 기술과 결합하면, 일상생활 속 다양한 분야에도 적용될 수 있을 것”이라고 말했다.
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