Introduction
미국·중국·EU·일본 등 세계 각국은 양자 기술을 기존의 고전적 한계를 뛰어넘는 핵심 안보 기술이자 기존 기술을 융합·재창조하여 신 산업 창출이 가능한 미래 산업의 핵심기술로 성장시키고자 노력 중이다. 또한 세계 각국은 미래 전장을 양자 기술 기반의 양자전(Quantum Warfare)로 예측하여 국방 양자 우위성을 가져다줄 양자 기술들을 체계적으로 개발하고, 이를 위한 양자 무기체계 개발을 위하여 집중 투자 중이다. 미래 양자전은 육·해·공·우주·사이버 등 다차원의 전장 공간에서 기존 고전 국방 기술의 한계를 뛰어넘는 새로운 차원의 양자 무기체계를 기반으로 상호 우위가 결정될 것으로 예측하고 있으며, 미국을 비롯한 해외 양자 주요국에서 국방 분야 양자센서 기술의 중요성을 인식하고 관련 기술 투자 및 국방 양자 기술 연구를 활발히 진행하고 있으며, 국방 활용성이 기대되는 양자컴퓨터 기술도 민간 주도로 집중 개발 중이다.
본 양자기술 연구 센터의 양자센서 및 계측 (Quantum Sensing & Metrology) 연구팀은 중성원자가 담긴 증기셀과 절대영도로 냉각된 중성원자를 이용하여 양자 자기장 센서 (Quantum Magnetic Sensor)와 냉각원자 기반 소형관성센서 (Cold Atom-Based Compact Inertial Sensor) 기초 기술 개발을 목표로 하고 있다. 또한 냉각원자를 이용한 비선형 및 비평형 연구와 증기셀을 이용한 비선형분광학 및 양자광학 연구를 수행하고 있다. 각 연구 주제에 대한 자세한 내용은 아래와 같다.
양자 자기장 센서 연구
신이 인간에게 이성과 감성을 선물해 주었다면 반면 빼앗은 능력들 중 하나가 바로 미세한 자기장을 느끼는 감각기관이다. 새, 거북이, 박쥐, 도마뱀, 개미, 벌 등 다양한 동물 및 곤충들은 지구자기장을 느낄 수 있는 반면 인간에겐 애초에 그런 능력이 없다고 알고 있지만, 최근 연구 결과에 따르면 자기장을 느끼는 모든 생명체엔 자기장에 반응하는 Cryptochrome4라는 단백질이 있음을 발견하였고 놀랍게도 인간의 눈 시신경에도 이 단백질이 존재함을 알게 되었다. 하지만 자기장 측정에 아무런 역할을 하지 않는 것으로 밝혀졌다. 즉 퇴화가 된 것이다.
신으로 부터 빼앗긴 능력을 되찾기 위해 인간은 이성을 활용하여 인간만의 자기장 센서를 개발을 하게 되었고, 인간외의 생명체가 측정할 수 있는 미세한 자기장보다 더 미세한 자기장을 측정 할 수 있는 양자 자기장 센서를 개발하고 있는 중이다. 아래 그림은 최근 인간에 의해 개발된 수많은 자기장 센서를 나열할 것이다. 가장 정밀한 자기장 센서는 초전도 현상을 이용한 SQUID라는 매우 거대한 장치인데, 본 양자 자기장 센서 연구는 원자 증기셀을 이용하여 사람이 직접 이동하면서 SQUID의 자기장 측정 영역을 측정할 수 있는 휴대형 자기장센서 기술 연구를 수행하고자 한다.
또한 본 연구를 통해 인간의 심자도를 측정할 수 있는 기술을 개발하고자 하며, 국방 분야 뿐만 아니라 의료 분야에도 활용 될 수 있도록 하는데 연구 목표를 삼고 있다.
냉각원자 기반 소형 관성센서 연구
냉각원자 기반 소형 관성센서 기술 연구의 목표는 아래와 같다.
-
무위성 관성항법에 사용되는 냉각원자 기반 소형 관성센서 기초 원천 기술 확보
-
양자 관성 센서의 실질적 활용을 위한 냉각 원자 기반 고 반복률 소형 관성 센서 물리부 제작
-
소형 관성 센서 물리부 성능 분석 및 향상
루비듐 원자를 냉각한 다음 자유 낙하하는 원자에 라만 레이저를 이용하여 마흐젠더 간섭계를 구성하여 가속도를 측정하는 레이저 시스템, 냉각원자 물리부 시스템, 제어시스템 연구를 수행하고자 한다.
냉각 원자 연구
원자와 광자의 상호작용을 통해 원자를 포획하는 방법인 광자기 포획 (Magneto-optical trapping) 방법을 이용하여 수 마이크로 캘빈으로 냉각된 원자들의 비선형 및 비평형 상태에 대한 연구를 수행한다. Doppler-free spectroscopy를 통해 원자포획에 필요한 원자의 공명 주파수에 일치하도록 레이저 주파수 안정화를 수행하고 Anti-Helmholtz코일을 이용하여 원자 포획가능하다. 이때 레이저의 세기, 주파수, 자기장, 편광 등을 주기적으로 변조시켜주게 되면 원자의 외적 운동을 여기시키게 되어 비선형 운동 현상을 보여주며, attractor 주위에 모여든 원자들은 각 attractor로 noise-induced transition을 겪게 되는데 이때 원자의 전체 갯수에 의존하는 임계현상을 보여준다. 광자기 포획 연구는 비선형 및 비평형 연구 뿐만 아니라, 최근 각광 받고 있는 양자컴퓨터의 하드웨어 기반인 중성원자, 이온원자 냉각 원리의 기본 시스템으로 활용되고 있어 매우 흥미로운 양자기술 연구 주제를 제공해 줄 수 있는 플렛폼이라 할 수 있다.