광주과학기술원(GIST, 임기철 총장)은 전기전자컴퓨터공학과 함병승 교수가 그동안 독자적으로 구축한 ‘초해상 양자센싱’이론에 기초, 기존 분광기에 탑재 가능한 ‘양자분광기’ 구현 방법을 제안했다고 6일 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports)' 2월 22일자 온라인판에 실렸다.
GIST에 따르면 ‘양자분광기’는 기존 분광기의 물리학적 한계(회절 한계 또는 표준양자한계)를 극복한다. 현존하는 어떠한 고전적 물리 법칙이나 기기로도 달성할 수 없었던 초정밀 측정을 가능하게 한다.
이번 연구는 기존 분광기의 성능을 획기적으로 개선할 위상 감도 및 해상도를 확보, 양자센서 기술의 새로운 가능성을 제시하고 광학 계측 분야의 패러다임 전환을 예고한다고 GIST는 의미를 부여했다.
분광기는 물질이 빛을 흡수하고 방출하는 방식을 정량적으로 측정하는 장치로, 알려진 파장(헬륨네온 레이저)과의 주파수 차이를 분석하여 미지의 빛의 파장을 정확히 파악할 수 있다. 이를 통해 화학물질의 구성, 농도, 반응 동역학 등을 분석하며, 환경 모니터링, 품질 관리, 생화학 연구 등 다양한 분야에서 폭넓게 활용된다.
이때, 주파수 차이를 정확하게 표현하는 해상도가 중요한데 이 해상도의 한계를 결정하는 고전역학적 한계가 ‘회절 한계’ 또는 ‘표준양자한계’이다.
기존의 광학 분광기는 회절 한계에 의해 주파수 해상도에 제한이 있었다. 이번 연구에서는 고차 세기 상관관계를 기반으로 하는 위상 제어 기술을 활용해 이 회절 한계를 극복했다.
함 교수가 개발한 이 기술은 빛의 세기곱의 차수에 비례해 위상 감도와 주파수 해상도가 선형적으로 향상되는 특징을 갖는다.
또한 기존 양자 센싱은 얽힘 광자를 사용해야 하는 복잡성과 환경적 노이즈에 취약하다는 문제가 있었다.
함 교수는 간섭계의 스캐닝 모드를 이용해 간섭무늬의 변화를 정확하게 세는 고전적인 방식으로 노이즈 저항성과 높은 안정성을 동시에 확보했다.
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. 광학 간섭계와 위상 제어 장치를 활용해 빛의 위상(phase)과 세기(intensity)를 동기화(이 둘 사이의 관계를 정확하게 제어해 일치시키는 과정)하고, 이를 곱해 기존 회절 한계(diffraction limit)를 뛰어넘는 고해상도 측정을 가능하게 한다.
함 교수는 이번 연구에서 마이켈슨 간섭계(Michelson interferometer) 기반의 전통적인 센서 구조에서 위상 제어된 출력 필드의 위상조절된 세기곱(intensity product)을 활용해 현재 고차얽힘광자에 기초한 양자센싱에 있어 20 미만의 차수한계를 획기적으로 극복했다.
이 방법은 공간광변조기의 다중 픽셀 기반 위상 제어 시스템을 통해 해상도를 수백만 배 높일 수 있다는 점에서 실용성이 매우 높다.
함 교수는 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.
함병승 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 전망했다. 또 “앞으로도 실용적 양자센싱 장비 개발 및 양자센서 상용화 연구에 박차를 가할 계획”이라고 덧붙였다.
