KIST, 다중 모드 N00N 상태로 초고해상도 양자 센서 구현

정밀도 88% 향상, 하이젠베르크 한계 근접

생명과학·반도체·우주 관측 등 활용 기대

한국과학기술연구원(KIST) 양자기술연구단 임향택 박사 연구팀은 ‘다중 모드 N00N 상태’라는 특수한 양자 얽힘 상태를 분산형 센서에 적용해 정밀도와 해상도를 동시에 높일 수 있는 초고해상도 분산형 양자 센서 네트워크 기술을 세계 최초로 구현했다고 밝혔다.

기존 분산형 양자 센서 연구는 단일 광자 얽힘 상태를 주로 활용해 정밀도는 높였지만, 간섭 패턴을 구분해야 하는 고해상도 측정에는 한계가 있었다. KIST 연구팀이 사용한 다중 모드 N00N 상태는 여러 광자가 특정 경로에 얽혀 빛의 간섭 무늬를 촘촘하게 만들어 해상도를 크게 높이는 동시에 작은 물리적 변화도 민감하게 감지할 수 있다.

이 기술은 양자 기술이 도달할 수 있는 최고 정밀도인 ‘하이젠베르크 한계’에 근접했으며, 초고해상도 이미징 응용 가능성까지 보여줬다. 미국·유럽 등 주요 선진국이 양자 센서를 차세대 전략기술로 선정해 투자를 확대하는 상황에서 우리나라가 국제 경쟁력을 확보할 수 있다는 점에서 의미가 크다.

연구팀은 4개 경로에 얽힌 2광자 다중 모드 N00N 상태를 생성해 서로 다른 두 개의 위상 정보를 동시에 측정하는 실험을 진행했다. 그 결과 기존 방식보다 약 88% 높은 정밀도(2.74dB 향상)를 달성해, 실제 실험에서도 하이젠베르크 한계에 근접한 성능을 입증했다.

이번 성과는 생명과학, 반도체, 정밀 의료, 우주 관측 등 정밀 계측이 필요한 분야에 폭넓게 응용될 수 있다. 예를 들어 현미경으로 관측하기 어려운 세포 내부 구조를 영상화하거나, 나노 단위 반도체 회로 결함을 탐지하고, 일반 망원경으로는 흐릿한 먼 우주의 천체 구조를 정밀하게 관측하는 데 활용할 수 있다.

임향택 KIST 박사는 “이번 성과는 양자 얽힘 기술을 기반으로 실용적 양자 센서 네트워크의 가능성을 입증한 중요한 전환점”이라며 “향후 실리콘 포토닉스 기반 양자 칩 기술과 결합하면 일상생활 속 다양한 분야에도 적용될 수 있을 것”이라고 말했다.