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Start Up Innovation / Science
양자 센서
차원이 다른 정밀도로 데이터 측정

양자의 특수한 움직임을 이용하는 새로운 기술 ‘양자 센싱’에 대한 관심이 높아지고 있다. 생물과 물질의 온도 및 압력, 자기장 등 다양한 테마를 ‘양자센서’를 이용해 기존과는 차원이 다른 정밀도로 측정한다. 자동차에 양자센서를 탑재해 자율주행에 이용하는 구상도 나오고 있다. 최근 실용화의 열쇠를 쥐고 있는 고체 양자센서 개발 등에서 일본의 연구팀들이 성과를 내고 있다.

양자 센싱에서는 양자컴퓨터 등과 동일하게 양자 정보의 최소 단위인 ‘양자 비트’를 이용, 이것을 고체 소자 등에 내장해 센서로서 이용한다. 양자 비트는 ‘0’과 ‘1’, 2개의 상태만이 아닌 ‘양자의 중첩’이라는 특유의 현상을 이용해 무한에 가까운 종류의 상태를 표현할 수 있다.

측정하려는 대상 옆에 양자센서를 두고 측정하고 싶은 자기장과 온도, 압력 등이 바뀌게 되면 그 신호의 변화에 따라 양자 비트의 상태도 변하게 된다. 이 변화를 레이저광 등으로 파악해 계산하면 측정값을 알 수 있다.

-- 다이아몬드 결정으로 --
현재 실온에서도 사용할 수 있는 양자센서를 만드는 재료로 유망하다고 평가 받아 전세계적으로 연구되고 있는 것이 다이아몬드 결정이다. 다이아몬드를 구성하는 탄소원자 중의 1 원소 대신 치환된 질소(N)와 격자 자리에서 탄소원자가 빠짐으로써 야기되는 공동(Vacancy, V)으로 제작한다. 이렇게 형성된 구조를 ‘NV센터’라고 하며, 이 나노사이즈의 구조에 갇혀있는 전자의 스핀을 양자 비트에 이용해 그 상태를 제어∙관측함으로써 측정이 이루어지는 것이다.

쓰쿠바(筑波)대학의 이소야(磯谷) 명예교수가 이끄는 연구팀은 독일 슈투트가르트 대학와 공동으로 물질의 화학 구조 결정에 널리 이용되고 있는 ‘핵자기공명(NMR)’에 이 방법을 활용해 성과를 올렸다. NMR을 통해 물질의 구조를 결정하기 위해서는 대상이 되는 물질의 원자핵 스핀이 자장 안에서 회전하는 주파수(공명 주파수)의 아주 작은 차이(Chemical Shift)를 검출해야 한다. 연구팀의 새로운 방법으로는 통상적인 NMR과 비교해 필요한 샘플 양을 기존보다 10자리 수 이상 줄일 수 있다.

연구팀의 양자 센싱의 특징은 신호 변화를 감지하는 센서 부분과 그 변화에 대한 정보를 축적하는 메모리 부분을 조합해 ‘하이브리드형’으로 한 것이다. NV센터의 전자 스핀이 센서 부분, 질소원자의 핵 스핀이 메모리 부분에 각각 해당한다.

연구팀은 2개 이상의 양자 비트 간의 상관 관계, 양자 얽힘(Quantum Entanglement)이라는 현상을 이용해 핵 스핀에 정보가 기록될 수 있도록 했다. NMR시그널을 추적하는 시간이 전자 스핀만으로는 2~3m초밖에는 지속되지 않지만, 이것을 큰 폭으로 연장해 보다 정밀한 측정이 가능해진다. 초전도자석으로 인한 높은 자기장의 이용과 병행해 검출 정밀도를 더욱 높였다.

-- 현재 위치 파악 --
다이아몬드 결정의 NY센터는 상온∙상압에서 양자의 중첩 상태를 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 생체 안에서도 사용하기 쉬워 양자 측정 도구로써 주목 받고 있다. 쓰쿠바대학 등의 연구팀은 사람 뇌의 자장을 정밀하게 측정하는 등을 상정해, 단일 NV센터만이 아닌, NV센터가 다수 형성된 다이아몬드 결정을 사용하는 ‘NVC 앙상블’이라는 방법으로 세계 최고 수준의 자장 감도를 달성하는데도 성공했다.

양자를 이용한 측정 및 구상에서는 ‘양자의 얽힘 상태 광자’라고 하는 동기화되어 움직이는 광자를 이용한 방법도 주목 받고 있다. 통상적인 방법보다 적은 빛의 양으로 높은 정밀도의 관측이 가능한 ‘양자 얽힘 현미경’을 홋카이도대학 연구팀이 2013년에 세계 최초로 개발. 세포 내 물질 분포의 미세한 변화를 관찰하는 등의 응용이 전망되고 있다.

또한 안과에서 망막질환의 조기 발견에 이용되고 있는 광합단층영상(OCT)기기에도 양자 얽힘 상태 광자를 이용해 샘플의 구조를 3차원으로 관측하는 ‘양자OCT’도 있다. 교토대학과 물질∙재료연구기구의 연구팀이 기존의 OCT를 상회하는 0.54마이크로미터의 분해 능력을 달성. 안과 이외의 분야에서도 다양한 생체 조직 피하 관찰이 가능해질 것이라고 기대를 모으고 있다.

-- 자율주행에도 응용 --
양자 센싱을 통해 GPS 전파가 닿지 않는 장소에서도 현재 위치를 알아낼 수 있는 기술 연구도 추진되고 있다. 영국 해군이 개발한 ‘양자 나침반’은 저온 상태의 루비듐 원자의 움직임을 정확하게 계측해 현재 위치를 파악한다.

다마가와(玉川)대학 연구팀은 양자 센싱을 자율주행차가 주위의 상황을 파악하는 차량탑재 센서로의 이용을 상정. 악천후에도 성능이 유지되는 양자 응용 기술을 연구하고 있다.

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