[더테크 이지영 기자]  정밀 계측은 바이오 이미징, 반도체 결함 진단, 우주 망원경 관측 등 첨단 과학기술의 핵심 기반이다. 그러나 기존 센서 기술은 물리적 한계인 ‘표준 양자 한계’를 넘기 어려웠다. 이를 돌파할 차세대 대안으로 ‘분산형 양자 센서’ 기술이 주목받고 있다.

한국과학기술연구원 양자기술연구단 임향택 박사 연구팀은 특수한 양자 얽힘 상태인 ‘다중 모드 N00N 상태’를 활용해 정밀도와 해상도를 동시에 향상시킬 수 있는 세계 최초의 초고해상도 분산형 양자 센서 네트워크 기술을 구현했다고 21일 밝혔다.

기존 연구는 단일 광자 얽힘을 활용해 정밀도는 높였지만, 고해상도 이미징에는 한계가 있었다. 이번에 KIST 연구팀이 적용한 다중 모드 N00N 상태는 여러 광자가 특정 경로에 얽혀 빛의 간섭 무늬를 더욱 촘촘하게 만들어, 해상도와 민감도를 동시에 끌어올릴 수 있다. 이를 통해 양자 계측이 도달할 수 있는 최고 수준의 정밀도인 ‘하이젠베르크 한계’에 근접한 성과를 입증했다.

연구팀은 4개의 경로에 얽힌 2광자 다중 모드 N00N 상태를 생성하고, 이를 통해 서로 다른 두 개의 위상 정보를 동시에 측정하는 실험을 수행했다. 그 결과 기존 대비 약 88% 향상된 정밀도(2.74 dB 개선)를 기록하며 실제 실험에서도 이론적 한계에 가까운 성능을 확인했다.

이번 성과는 생명과학, 반도체, 정밀 의료, 우주 관측 등 정밀 계측이 필요한 다양한 산업에 폭넓게 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 세포 내부 미세 구조의 고해상도 영상화, 나노 단위 반도체 회로 결함 탐지, 원거리 천체 구조의 정밀 관측 등이 대표적 활용 사례다.

임향택 박사는 “이번 연구는 양자 얽힘을 기반으로 한 실용적 양자 센서 네트워크 가능성을 입증한 중요한 전환점”이라며 “향후 실리콘 포토닉스 기반의 양자 칩 기술과 융합하면 일상생활의 다양한 분야에도 적용될 수 있을 것”이라고 강조했다.

한편, 이번 연구 결과는 국제 학술지 '피지컬 리뷰 레터스 IF 9.0, JCR 상위 7.5%' 최신 호에 게재됐다.