한국과학기술연구원(KIST)은 16일 양자정보연구단 임향택 책임연구원 연구팀이 여러 공간에 분포된 다양한 물리량을 표준 양자 한계를 초과하는 정밀도로 측정할 수 있는 분산형 양자 센서 기술 개발에 성공했다고 밝혔다. 

KIST에 따르면 이 기술은 양자 중첩과 양자 얽힘과 같은 양자 현상을 활용하여, 서로 떨어진 위치에 있는 두 시계의 시각을 매우 정밀하게 측정할 수 있게 한다.

이번 연구는 중앙대학교, 한국표준과학연구원, 국방과학연구소, 그리고 미국의 오크리지 국립연구소와의 공동 연구로 진행되었으며, 그 결과는 지난 11일 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 게재됐다.

이 분산형 양자 센서는 서울과 부산 같이 물리적으로 떨어진 두 지점에 위치한 물리량을 얽힌 상태로 만들고, 두 물리량을 동시에 측정함으로써 전례 없는 높은 정확도를 달성한다.

이를 통해 고전 센서로는 달성하기 어려운 초정밀 측정이 가능해진다는 점에서 큰 의미를 가진다. 이러한 기술의 개발은 과학 및 기술 분야에서의 측정 정밀도를 획기적으로 향상시키고, 다양한 응용 분야에서의 새로운 가능성을 열 것으로 기대된다.

연구팀은 최근, 넓은 영역에 분산된 여러 변수들을 기존의 센서보다 높은 정밀도로 측정할 수 있는 분산형 양자 센싱 기술이 실제로 양자역학이 허용하는 최대 정밀도에 도달한다는 것을 실험적으로 증명했다. 연구팀은 양자 얽힘 상태인 벨 상태를 활용해 서로 멀리 떨어진 네 공간에 동시에 존재하는 중첩된 얽힘 상태를 구현했다.

이 연구에서 연구팀은 네 공간에 분산된 위상의 평균값을 동시에 측정했으며, 그 결과 고전적 한계를 뛰어넘는 2.2데시벨(㏈)의 감도를 달성했다고 밝혔다. 이는 기존의 고전적 센싱 방법들과 비교할 때 매우 높은 정밀도를 나타낸다.

더불어 연구팀은 측정 대상의 광자 수보다 적은 양의 자원을 사용하여도 분산형 양자 센싱 네트워크를 구축할 수 있는 방법을 제안하고, 이를 실험적으로 입증함으로써, 이 기술이 적은 자원으로도 효과적으로 활용될 수 있음을 보여주었다. 이러한 발견은 양자 센싱 기술의 실용적인 적용 범위를 넓히는 중요한 진전으로, 향후 다양한 분야에서의 응용 가능성을 열어줄 것으로 기대된다.

연구팀은 최근 개발한 분산형 양자 센싱 기술이 여러 위치에서 종합적인 정보 수집을 가능하게 함으로써, 떨어진 지역의 시각을 동기화하거나 초미세 암을 발견하는 등의 새로운 응용 분야를 개척할 수 있을 것으로 기대한다고 밝혔다.

이 기술은 멀리 떨어진 다양한 지점에서의 정보를 정확하게 수집하고 분석하는 데 큰 잠재력을 지니고 있다.

임향택 책임연구원은 "적은 자원을 사용해도 표준 양자 한계를 뛰어넘는 측정이 가능한 분산형 양자 센싱의 핵심 원천기술을 확보함으로써, 이를 실용적인 기술로 발전시키기를 기대한다"고 말했다.