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양자 관성 센서로 위치 파악
GPS 없이 정확하게 계측

GPS 전파가 도달하지 못하는 장소에 있어도 자신이 어디에 있는지 정확하게 알 수 있다. 전기통신대학의 나카가와(中川) 교수 연구팀은 고정밀도로 가속도나 회전을 측정해 현재의 위치를 GPS 이상으로 정확하게 계측할 수 있는 방법을 개발한다. 극저온까지 냉각시킨 원자가 갖는 파동으로서의 성질을 이용한 ‘양자 관성 센서’를 활용한다. 실용화 된다면 비행기나 선박의 운행, 자동차의 자율주행 등에도 필수 기술이 될 것이다.

비행기나 자동차의 자율주행에는 자신의 현재 위치를 정확하게 파악하는 기술이 필수다. 인공위성과의 통신으로 위치를 파악하는 GPS가 널리 보급되었지만 통신이 끊어진 경우에는 사용할 수 없다. 때문에 지금도 가속도나 회전 등을 측정하는 관성 센서를 탑재하고 있으며, 자신의 위치를 추정하는 기술이 내장돼 있다.

스마트폰 등의 관성 센서의 대부분은 진동하는 소자가 회전하며 발생하는 힘을 계측하고 있다. 양산에는 적합하지만 성능은 그저 그렇다.

현재도 비행기나 선박 등에서는 빛을 사용한 관성 센서가 사용된다. 광파이버를 코일처럼 감아서 시계 방향과 시계 반대 방향으로 돌며 빛을 보낸다. 2개의 빛을 간섭시켜 그 차이를 조사해 센서가 회전하는 각도 등을 산출하는 것이다. 성능을 높이기 위해서는 장치의 대형화가 필요하지만 한편으로 성능의 한계도 보이고 있다.

그래서 나카가와 교수 연구팀은 물질을 구성하는 원자나 전자 등의 극미한 세계에서 성립하는 양자역학에 주목했다. 극미한 세계에서는 외부의 변화에 상당히 민감하게 반응한다. 그 때문에 고정밀도 센서를 실현할 수 있을 것으로 보고 있다. 또한 장치의 크기도 소형화할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

양자 관성 센서에서는 레이저광으로 극저온까지 냉각시킨 원자의 성질을 이용한다. 냉각된 원자는 빛처럼 파동으로서의 성질이 강해진다. 파동은 상호 간섭하며 강화시키거나 약화시키거나 하게 된다. 빛을 사용한 관성 센서와 마찬가지로 냉각시킨 원자를 낙하시키거나 옆쪽으로 보내, 극미한 궤도의 차이를 간섭 정도를 통해 조사하면 가속도나 회전을 정확하게 측정할 수 있다.

현재의 양자 관성 센서는 아직 대규모 장치다. 나카가와 교수 연구팀은 성능을 유지한 채 소형화한 센서 개발을 추진한다. 지금까지 냉각 원자를 조작할 수 있는 2cm 정육면체의 칩까지는 만들었다. 그러나 다양한 주변기기가 필요하기 때문에 장치 전체로서는 아직 실용적인 크기라고 말하기는 어렵다. “소형화까지는 미치지 못했지만 수년 후에는 선박 등에 탑재할 수 있게 된다”(나카가와 교수).

이 분야는 해외에서도 연구가 활발하다. 지금까지 연구를 리드해 온 미국에서는 궁극의 위치 파악 기술로서 군사 응용도 시야에 넣고 연구를 추진하고 있다. 유럽에서는 중력의 측정 등 기초물리학 연구에 응용 가능한지를 탐구하고 있다. 중국에서도 최근에 관련 연구자에게 대형 예산을 투자해 연구를 추진하고 있다. 나카가와 교수는 “일본이 뒤처져 있는 것은 분명하지만 재료나 제조 기술의 강점을 활용해 나갈 계획이다”라고 말한다.

-- 지진이나 자원 조사에서도 기대 --
양자 관성 센서는 중력의 가속도도 정확하게 측정할 수 있기 때문에 지진이나 자원 조사에서도 응용이 기대된다. 정확한 중력의 수치는 지하에 금속이나 물이 있거나 단층이 조금이라도 어긋나면 변하기 때문에 장소에 따라서 다르다. 고감도 양자 관성 센서가 있다면 이 작은 중력의 차이를 포착해 지하 조사에 응용할 수 있을 것으로 생각하고 있다.

나카가와 교수 연구팀도 우선은 중력 가속도를 측정한다는 목적에서 응용을 목표하고 있다. 특히 일본은 지진이 다발하는 국가로서 단층의 움직임 등을 자세하게 조사할 필요가 있다. “양자 관성 센서를 잘 응용할 수 있을지 지진 연구자들과 한창 논의 중이다”(나카가와 교수).

개발 중의 양자 관성 센서에서는 대량의 루비듐 원자를 냉각해 진공 상태로 만든 용기 속에서 낙하시킨다. 낙하하는 원자의 간섭 정도를 조사해 중력을 측정할 수 있다. 대차 등으로 운반할 수 있을 정도의 크기로 만들어 옥외 등에서도 계측할 수 있도록 할 계획이다.

해외에서는 순수 물리학을 증명하기 위한 응용도 추진하고 있다. 높이 약 10m의 장치 속에서 냉각 원자를 낙하시키거나 국제우주스테이션(ISS) 안에서 실험을 함으로써 어떤 물체라도 같은 궤도로 낙하하는 원리의 검증이나 우주의 암흑물질 검출을 목표하고 있다.

● 냉각 원자를 사용한 양자 관성 센서의 연구 흐름

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