일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2023.2.20

양자센서, 드디어 실용화
자동차와 방위용 등, 다양한 분야로

양자역학의 원리를 이용해 다양한 물리량을 고정밀로 계측할 수 있는 '양자센서'에 대한 연구개발이 추진되고 있다. 원자나 분자 레벨의 작은 물체의 움직임을 관측함으로써 현재의 센서로는 계측할 수 없었던 미약한 신호나 생체 내부 활동 등을 조사할 수 있다. 대학 등 연구기관뿐 아니라 민간 기업의 참여도 확산되면서 자동차업계 등을 대상으로 한 양자센서 판매도 시작되고 있다.

양자센싱에서는 물질 중의 스핀이나 원자 기체를 양자센서로써 이용한다. 이러한 것들은 주위 환경에 쉽게 영향을 받기 때문에 그 움직임을 관측함으로써 고정밀도 센싱이 가능하다. 스핀을 연산에 이용하는 양자컴퓨터에서는 이 불안정함이 정확한 연산에 방해가 되지만, 양자센싱에서는 이 성질을 역으로 활용함으로써 뛰어난 기능을 실현할 수 있다.

오사카대학 양자정보양자생명연구센터의 네고로(根來) 조교가 이끄는 연구진은 양자 센싱기술을 응용한 고감도 자기공명영상장치(MRI) 개발에 주력하고 있다. 분자 구조를 해석하는 핵자기공명(NMR) 신호를 증강시키는 독자적인 기술을 통해 실온 하에서 대상물을 고감도로 계측할 수 있다 실험쥐의 체내 대사를 조사해 암세포의 활동을 조사하거나, 단백질의 결합 상태를 약물 스크리닝에 이용하는 등의 응용을 목표로 하고 있다고 한다.

NMR 신호의 강도를 높이는 방법으로는 저온 하에서 마이크로파를 조사(照射)해 핵 스핀의 방향을 맞추는(편극) 것이 일반적이지만, 냉각을 위한 대형 장치가 필요하다는 등의 과제가 있다. 오사카대학은 레이저를 조사해 핵 스핀의 방향을 맞춰 실온에서도 신호 강도를 높일 수 있는 독자적인 방법을 개발했다. 네고로 조교는 “항암제 치료의 효과 판정 등, 다양한 응용을 검토해나가고 싶다”라고 말한다.

-- 운전자나 배터리 모니터링용 --
양자센서는 이용하는 물체에 따라 자기장이나 전기장, 고도, 가속도, pH부터 혈중 글루코스 농도나 생체 내 화학물질 등, 다양한 대상을 측정할 수 있다. 기존 센서와 비교해 100~1만 배의 감도를 실현할 수 있다고 알려져 있으며, 고정밀도화 및 소형화에 적합하다. 자동차나 잠수함의 위치 추정, 신약 개발 등으로의 응용이 전망된다.

양자과학기술연구개발기구(QST) 양자기능창제연구센터의 오시마(大島) 센터장은 “양자센싱의 응용 확대와 사회 구현이 기대된다”라고 말한다. 오시마 센터장은 그 한 예로 다이아몬드 구조를 기반으로 한 양자센서를 소개한다.

다이아몬드 결정에서 탄소원자(C)를 치환한 질소원자(N)와 그것에 인접한 공극(V)세트(NV센터)는 환경의 변화에 따라 양자 상태가 변화하는 성질이 있어 고감도 자기센서로써 작용한다고 한다.

문부과학성의 프로젝트 ‘광·양자 비약 플래그십 프로그램(Q-LEAP)’에서는 이 NV센터를 이용한 고감도 뇌자도(腦磁圖) 측정시스템 및 배터리·파워디바이스의 모니터링시스템을 2020년대 후반까지 개발한다는 목표를 내걸고 있다. 덴소와 야자키소교(矢崎総業, 도쿄) 등 자동차 관련 기업들도 운전자나 전기자동차(EV)의 배터리를 모니터링하는 용도로 NV센터를 응용하는 것을 검토하고 있다.

-- 일본에서 제품화 움직임도 --
해외에서는 이미 양자센서의 상용화가 진행되고 있다. 양자컴퓨터개발업체인 미국의 스타트업기업 콜드퀀타(ColdQuanta)는 양자기술 중에서도 냉각원자 방식의 양자컴퓨터와 양자센서를 개발하고 있다. 2022년 11월에는 스미토모상사(住友商事)와 대리점 파트너십 계약을 체결하고 일본 시장에서의 판매 활동을 시작했다.

양사는 자동차업계와 통신업계, 항공우주업계 등에 양자센서기술을 판매할 계획이다. 양자센서를 자기센서로 이용하면 보다 높은 정밀도의 관성항법장치나 GPS를 사용하지 않는 위치측위기기 개발이 가능해진다. 인공위성 신호를 수신할 수 없는 환경에서도 오차범위를 센티미터 수준으로 낮출 수 있어, 안전한 자율주행이나 효율적인 자원 탐사 등에 응용할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

향후에는 방위산업에서도 효과를 발휘할 수 있을 것으로 전망된다. 예를 들어, 잠수함은 수면 아래를 장거리로 이동하기 때문에 GPS를 통한 자기 위치 추정이나 적함 탐색이 필요하다. 양자센서로 자기 변화를 계측하면 고정밀도로 위치를 특정할 수 있다. 실제로 콜드퀀타는 양자 관련 기술에 많은 특허를 보유하고 있으며, 미 국방부와 미항공우주국(NASA), 영국 국방부 등 여러 정부 기관들과의 계약 실적이 있다고 한다.

양자센싱을 비롯한 양자 관련 기술 개발에서는 미국이 앞서 있으며, 스타트업의 자금 조달력도 월등하다. 한편, 일본도 연구 개발 분야에서는 세계적으로 높은 기술력을 자랑하고 있다. 그 기술력을 활용하기 위해서는 꾸준한 연구개발과 장기적 시점에 선 선행 투자가 요구된다.

-- 끝 --

Copyright © 2020 [Nikkei XTECH] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.