광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 함병승 전기전자컴퓨터공학과 교수가 독자적으로 구축한 ‘초해상 양자센싱’ 이론에 기초해 기존 분광기에 탑재 가능한 ‘양자분광기’ 구현 방법을 개발했다고 6일 밝혔다.
양자분광기는 기존 분광기의 물리학적 한계(회절 한계 또는 표준양자한계)를 극복해 현존하는 어떠한 고전적인 물리 법칙이나 기기로도 달성할 수 없었던 초정밀 측정을 가능케 한다. 함병승 교수는 지난해 발표한 ‘초해상 양자센싱’ 이론에서 고전광학과 호환가능한 새로운 개념의 양자센싱 이론을 제시한 바 있다.
분광기는 물질이 빛을 흡수하고 방출하는 방식을 정량적으로 측정하는 장치다. 알려진 파장(헬륨네온 레이저)과의 주파수 차이를 분석해 미지의 빛의 파장을 정확히 파악할 수 있다. 화학물질 구성·농도·반응 동역학 등을 분석하며 환경 모니터링·품질 관리·생화학 연구 등 다양한 분야에서 폭넓게 활용한다. 이때 주파수 차이를 정확하게 표현하는 해상도가 중요하다. 해상도의 한계를 결정하는 고전역학적 한계가 ‘회절 한계’ 또는 ‘표준양자한계’다.
기존 광학 분광기는 회절 한계에 의해 주파수 해상도에 제한이 있었다. 이번 연구에서는 고차 세기 상관관계*를 기반으로 하는 위상 제어 기술을 활용해 이 회절 한계를 극복했다.
연구팀이 새로 개발한 이 기술은 빛의 세기곱의 차수에 비례해 위상 감도와 주파수 해상도가 선형적으로 향상되는 특징을 갖는다. 기존 양자 센싱은 얽힘 광자를 사용해야 하는 복잡성과 환경적 노이즈에 취약하다는 문제가 있었지만 연구팀은 간섭계 스캐닝 모드를 이용해 간섭무늬의 변화를 정확하게 세는 고전적인 방식으로 노이즈 저항성과 높은 안정성을 동시에 확보했다.
가장 큰 성과는 단일광자 기반의 고차원 얽힘 광자쌍을 사용하는 대신 일반적인 레이저를 활용해 ‘위상조절 세기곱’이라는 혁신적인 이론을 창안한 것이다. 하이젠베르크 한계를 만족하는 양자분광기를 구현할 수 있는 방법을 제시했다.
연구팀은 수치 시뮬레이션과 실험을 통해 주파수 해상도가 10배에서 최대 100만 배까지 향상될 가능성을 검증했다. 공간광변조기(SLM) 픽셀 수 K에 비례해 K배 향상된 해상도를 확인했으며 주변 소음에도 강한 안정성을 갖춘 것을 입증했다. 이는 기존 양자 광학 기반 기술이 요구하는 복잡한 장비 없이도 비교적 간단한 구성만으로 양자 수준의 감도와 해상도를 확보할 수 있다는 점에서 큰 의미가 있다.
이번 연구는 기존 분광기 성능을 획기적으로 개선할 위상 감도 및 해상도를 확보함으로써 양자센서 기술의 새로운 가능성을 제시하고 광학 계측 분야의 패러다임 전환을 예고했다.
함병승 교수는 “미래 양자센서 기술의 핵심 토대로서 광학 센서, 분광 분석, 양자 정보 처리 등 다양한 첨단 분야에 즉각적인 파급 효과를 미칠 것으로 예상한다”며 “환경 변화에 강한 정밀 계측 장비, 의료용 이미징 기술, 원격 탐사 시스템, 레이다·라이다 등에서 폭넓게 활용될 것”이라고 말했다.
이어 “앞으로도 실용적 양자센싱 장비 개발 및 양자센서 상용화 연구에 박차를 가할 계획”이라고 덧붙였다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
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