멀리 떨어진 센서가 하나처럼 작동…정밀도·해상도↑

작성일 08-21

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> KIST, ‘얽힌 빛’으로 초정밀·초고해상도 분산형 양자 센서 구현 
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 [아이뉴스24 정종오 기자] 멀리 떨어진 센서들이 하나처럼 작동하면서 정밀도·해상도가 동시에 높아졌다.
 정확한 계측은 바이오 이미징, 반도체 결함 진단, 우주 망원경 관측 등 첨단 과학기술의 핵심 기반이다. 지금까지 계측에 사용돼 온 센서 기술은 ‘표준 양자 한계’라 불리는 물리적 한계가 있었다.
 이 한계를 극복하기 위한 새로운 대안으로 주목받는 것이 바로 ‘분산형 양자 센서’다. 이는 멀리 떨어져 있는 여러 센서를 하나의 거대한 양자 시스템처럼 연결, 동시에 정밀한 측정을 가능하게 하는 기술이다.
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 <img alt="KIST 연구팀이 '얽힌 빛'으로 초정밀·초고해상도 분산형 양자 센서를 구현했다. [사진=KIST]" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202508/21/inews24/20250821120210438vqca.jpg" data-org-width="580" dmcf-mid="5XQShV5rWL" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202508/21/inews24/20250821120210438vqca.jpg" width="658">
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 KIST 연구팀이 '얽힌 빛'으로 초정밀·초고해상도 분산형 양자 센서를 구현했다. [사진=KIST]
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 지금까지는 주로 정밀도 향상에 집중해 왔는데 고해상도 이미징 분야로의 확장 가능성은 충분히 검증되지 못했다.
 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 양자기술연구단 임향택 박사 연구팀은 ‘다중 모드 N00N 상태’라는 특수한 양자 얽힘 상태를 분산형 센서에 적용했다.
 정밀도와 해상도를 동시에 향상시킬 수 있는 초고해상도 분산형 양자 센서 네트워크 기술을 구현했다.
 기존의 분산형 양자 센서 연구는 단일 광자 얽힘 상태를 주로 사용해 정밀도는 높일 수 있었다. 간섭 패턴을 정밀히 구분해야 하는 고해상도 측정에는 한계가 있었다.
 KIST 연구팀이 활용한 ‘다중 모드 N00N 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 얽힌 2광자 다중 모드 N00N 상태를 생성하고 이를 이용해 서로 다른 두 개의 위상 정보를 동시에 측정하는 실험을 진행했다. 그 결과 기존 방식보다 약 88% 높은 정밀도(2.74 dB 향상)를 달성했다. 이론뿐 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. 현미경으로는 관측하기 어려운 세포 내부의 미세 구조를 선명하게 영상화하거나, 나노미터 단위의 반도체 회로 결함을 탐지하고, 일반 망원경으로는 흐릿하게 보이던 먼 우주의 천체 구조를 정밀하게 관측하는 데 활용될 수 있다.
 KIST 임향택 박사는 “이번 성과는 양자 얽힘 기술을 바탕으로 한 실용적 양자 센서 네트워크의 가능성을 입증한 중요한 전환점”이라며 “앞으로 실리콘 포토닉스 기반의 양자 칩 기술과 결합하면 일상생활 속 다양한 분야에도 적용될 수 있을 것”이라고 말했다.
 연구 성과(논문명: Distributed quantum sensing with multi-mode N00N states)는 국제 학술지 ‘Physical Review Letters’ 최신 호에 실렸다.
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