적은 광자 수로 정밀도 최대치 양자센싱 기술 개발
양자(quantum)는 더 이상 나눌 수 없는 에너지의 최소량 단위로, 물질의 구성 단위인 원자와 원자를 만드는 전자, 양성자, 광자 등을 의미한다. 물리학에서는 상호작용을 할 수 있는 모든 물리적 독립체의 최소단위를 양자라고 표현한다. 물리량이 양자화된다는 것은 물리량이 이 최소량의 정수배로 띄엄띄엄한 값을 갖는다는 개념으로, 물리량이 연속적인 값을 가진다는 고전 물리의 믿음과 배치된다.
우리가 일상에서 경험해 온 것과는 다른 법칙을 따르는 만큼 양자의 다양한 특성을 이용해 기존 기술의 한계를 뛰어넘으려는 시도가 이어지고 있다. 대표적인 양자현상은 원자보다 작은 두 개 이상의 입자가 거리에 무관하게 공동의 통일된 양자상태로 연결되는 현상인 ‘양자 얽힘(quantum entanglement)’, 두 개 이상의 양자상태가 합쳐진 ‘양자 중첩(quantum superposition)’ 등이 있다.
이러한 얽힘, 중첩 등의 양자현상을 이용하면 멀리 떨어진 두 공간의 서로 다른 시계의 시각을 더욱 정밀하게 측정하는 것이 가능하다. 마찬가지로 물리량이 하나는 서울에 있고 하나는 부산에 있다고 가정할 때, 서울과 부산에서 각각 물리량을 따로 측정하는 것보다 얽힘 상태를 서울과 부산에서 나누어 가진 후 두 개의 물리량을 동시에 측정한다면 정확도를 더욱 높일 수 있다. 이처럼 양자센서를 이용하면 고전적인 센서로는 불가능했던 초정밀 측정이 가능해진다.
양자센싱에서 임 박사 연구팀이 구현에 중점을 둔 연구분야는 ‘분산형 양자센서’다. 연구팀은 2021년 실시간으로 변화하는 여러 개의 물리량을 높은 정밀도로 측정할 수 있는 ‘다중모드 NOON 상태’를 구현(「Nature Communications」 2021년 게재)한 바 있다. 임 박사는 앞서 구현한 ‘다중모드 NOON 상태를 이용해 양자 다중 파라미터 측정을 할 수 있지 않을까’라는 생각이 계기가 되어 분산형 양자센서 연구를 시작하게 되었다고 전했다.
‘양자 다중 파라미터 측정’에서는 여러 개의 물리량을 동시에 측정할 때, 다중모드 얽힘광을 사용하면, 각 물리량을 ‘양자 얽힘’ 상태로 따로따로 측정하는 것보다 정밀도에 있어서 추가적인 양자 이득을 얻을 수 있다. 실제로 많은 물리 현상들이 하나의 물리량에만 의존하는 것이 아니라 수많은 물리량에 의해 결정된다는 것을 고려했을 때 다중 파라미터 측정은 매우 중요하다.
“이번에 연구한 ‘분산형 양자센서’는 양자 다중 파리미터 측정을 이용한 응용 기술 중 하나입니다. 여러 개의 물리량들이 공간적으로 서로 멀리 떨어져 있을 때, 멀리 떨어진 이 물리량들을 측정하기 위해 ‘양자 얽힘’ 상태를 각 공간에 분배 후 동시에 측정함으로써 고전센싱 방법보다 더 정밀하게 측정할 수 있는 기술입니다. 각각의 지점에서 국소적으로 ‘양자 얽힘’ 상태를 준비한 후 각각 측정하는 방법보다 더 정밀하게 측정할 수 있습니다.”
연구팀은 측정하고자 하는 대상이 넓은 영역에 분포된 상황에서 분산형 양자센싱 시스템을 이용하면 양자역학으로 도달할 수 있는 가장 높은 정밀도로 현상을 측정할 수 있다는 사실을 실험적으로 구현했다.
고전센싱의 경우 고전적으로 가장 잘 측정할 수 있는 정밀도의 한계는 표준 양자 한계(Standard Quantum Limit)를 넘을 수 없다. 반면에 양자센싱의 경우 고전광이 아닌 양자광을 이용하는데, 양자얽힘광 또는 압축광을 이용하면 표준 양자 한계를 뛰어넘어 양자역학이 허용하는 정밀도의 한계인 하이젠베르크 한계(Heisenberg limit)까지의 정밀도로 측정이 가능하다.
연구팀은 ‘양자 얽힘’ 상태인 벨 상태(양자 얽힘의 가장 간단한 예를 나타내는 두 큐비트의 특정 양자 상태)로부터 서로 멀리 떨어져 있는 네 공간에 동시에 존재하는 중첩된 최대 얽힘 상태를 실험적으로 생성한 후, 이를 적용해 양자역학적 정밀도의 한계인 하이젠베르크 한계에 도달했다. 또한 측정하고자 하는 대상보다 광자의 개수가 적은 경우에도 분산형 양자센싱 네트워크를 구현할 수 있는 새로운 프로토콜을 제안하고, 이를 실험적으로 증명했다.
초미세 암 발견 등 폭넓게 활용 기대
이러한 성과는 적은 자원으로도 공간적으로 분산된 여러 개의 물리량을 표준 양자 한계보다 정밀하게 측정할 수 있는 프로토콜을 제안한 것으로서, 산업화를 위한 분산형 양자센싱 기술로 활용이 기대된다.
“분산형 양자센서 시스템 구현으로 복수의 위치에서 발생하는 종합적인 정보수집이 가능해지면 시각 동기화는 물론 초미세 암 발견 등의 진단, 배터리의 불량 측정, 지진 감지, 자기장 측정 등 지금까지와는 달리 새로운 분야에 폭넓게 활용할 수 있습니다. 가령 세포 간 거리를 서울-부산 간 거리가 축소된 상황으로 생각한다면, 더욱 정밀한 초미세 암 발견 진단 등에 도움이 될 수 있을 것입니다.”
이번 연구는 중앙대학교, 한국표준과학연구원, 국방과학연구소, 미국 오크리지 국립연구소 등 국내외 유수 연구기관들과의 협력을 통해 이뤄졌으며, 연구성과는 국제 학술지 「Nature Communications」에 2024년 1월 11일 게재(교신저자/KIST 임향택 박사, 공동 제1저자/KIST 김동현 학생연구원·중앙대학교 홍성진 조교수)되었다.
연구팀은 후속연구로 광손실(photon loss)이나 결풀림(decoherence; 주변과의 상호작용으로 양자 중첩 및 양자 얽힘이 줄어드는 현상)과 같은 잡음(Noise)이 있을 때도 고전 한계를 넘어 양자 이득을 얻을 수 있는 ‘양자 다중 파라미터 측정’ 연구를 수행하고 있다.
“지금까지의 연구들은 이상적인 상황에서의 양자센싱에 대해 고려하고 있지만, 실환경에서는 광손실이나 결풀림이 존재하고, 광손실 및 결풀림의 정도가 크면 양자이득이 줄어들게 됩니다. 심지어 고전적인 방법보다 정밀도가 떨어지는 현상이 발생할 수 있습니다. 따라서 실환경에서도 여전히 고전적인 센싱 방법보다 더 정밀하게 측정하는 방법을 찾고, 이를 구현하는 것이 현재 제가 추구하는 가장 도전적이고 중요한 연구 목표입니다.”
이뿐 아니라 연구팀은 ‘분산형 양자센서 네트워크’를 현재와 같이 실험실 내에서 수 km의 광섬유를 두고 실험을 구현하는 것이 아니라, 실제 상용 광통신망을 이용해 실제 상황에서 ‘분산형 양자센서 네트워크’를 구현해 볼 계획이다. 이를 위해서는 KIST 내 실험실과 인근 대학 또는 연구소의 실험실을 상용 광통신망으로 연결한 후에 실험을 진행해야 하기 때문에 기관 간 협업 방안을 강구하고 있다.
양자 물리학의 난제, ‘양자정보의 보존 관계’ 최초 증명
임 박사는 KIST 양자정보연구단에서 양자정보과학의 세 가지 중요 분야인 양자컴퓨팅, 양자통신, 양자센싱 연구를 기초부터 응용까지 폭넓게 연구하며 괄목할 만한 성과를 거두고 있다.
그중 대표적인 연구를 꼽는다면, 양자 측정에서 완벽한 정보 보존 관계식을 최초로 유도하고 검증한 성과를 빼놓을 수 없다. 즉, 양자기술이 원리적으로 안전하다는 사실을 약한 측정의 영역에서도 완벽하게 증명한 것으로, 국제 학술지인 「Physical Review Letters」(IF : 9.161, JCR(%) : 7.558 %) 2022년 2월호에 표지 논문으로 게재(공동교신저자/KIST 임향택 박사·이승우 박사, 제 1저자/KIST 홍성진 박사후연구원)되었다. 미국물리학회의 「Physical Review Letters」는 노벨물리학상이 가장 많이 나온 영향력 있는 저널로 물리학 연구자들 사이에서 높은 명성을 가지며, 중요한 연구결과를 발표하는 학술지로 여겨진다.
당시 게재된 연구성과는 ‘슈뢰딩거의 고양이’를 통해 설명할 수 있다. ‘슈뢰딩거의 고양이’는 양자 물리학의 핵심 성질인 ‘양자 중첩’과 ‘양자 측정’을 설명하기 위해 고안된 사고 실험이다. 정보의 관점으로 ‘슈뢰딩거의 고양이’ 실험을 해석하면, 우리는 고양이의 생사 정보를 얻기 위해서 상자를 열어보고(양자 측정), 이러한 행위는 본래 살아있으면서 동시에 죽어있던(양자 중첩) 고양이의 상태를 어느 한쪽으로 변화시킨다. 즉, 우리가 ‘고양이는 죽었다’는 정보를 얻는 순간 고양이는 죽어있고, ‘고양이는 살았다’는 정보를 얻는 순간 고양이는 살아있게 된다. 양자 측정의 비가역성 때문에 그 고양이의 생사는 다시 되돌릴 수 없다.
하지만 우리가 측정을 완전하게 하지 못했다면, 예를 들어 상자를 살짝만 열어서 고양이의 꼬리만 보았다면 어떤 일이 벌어질까? 이것을 양자역학에서는 ‘약한 측정’이라고 부른다. 이런 경우 우리는 고양이의 생사에 대해서 완전한 정보를 얻을 수 없으며 측정의 ‘되돌림’을 통해 고양이의 운명을 원래대로 되돌릴 가능성이 있다. 따라서 정보 이득과 상태 변화, 그리고 되돌림의 확률까지 모두 고려한 ‘양자정보의 보존 관계’를 규명하는 일은 양자 물리학의 난제였으며 양자기술의 안전성 보장을 위해서 해결해야 할 중요한 과제였다.
연구팀은 기존에 알려진 ‘정보 이득’과 ‘상태 변화’의 관계식을 확장해 ‘되돌림’ 확률까지 고려한 정보 보존 관계식을 이론적으로 유도했다. 그리고 편광판과 편광자 등의 선형 광학소자를 이용해 ‘약한 측정’과 ‘되돌림 연산’을 구현하고 단일 광자로 구현된 3차원 양자 상태에 적용함으로써 ‘정보 이득’, ‘상태 변화’, ‘되돌림’ 간의 정보 보존 관계를 실험적으로 검증했다. 즉, 측정 세기의 증가로 양자 상태에 대한 더 많은 정보를 얻는 행위가 양자 상태를 더 많이 변화(교란)시키고, 이로써 약한 측정 이전의 초기 양자 상태로 되돌릴 수 있는 확률이 낮아진다는 새로운 정보 보존 관계를 최초로 증명한 것이다. 초기 양자 상태로 되돌릴 확률이 존재하면 양자암호통신의 안전성은 보장되지 않는다.
“본 연구는 양자 상태의 정보는 측정을 통해서도 총량이 늘어날 수 없다는 사실을 증명함으로써, 양자기술이 원리적으로 안전하다는 것을 완벽하게 규명한 결과라고 할 수 있습니다. ‘정보 이득’, ‘상태 변화’, ‘되돌림’의 양을 조절하면 목적에 맞게 최적화된 양자 측정의 설계가 가능해집니다. 따라서 양자컴퓨팅, 양자암호통신, 양자전송 등의 최적화 기술로 적용될 수 있습니다.”
공동연구로 연구 완성도를 높이다
양자정보연구단은 총 12명의 선임·책임연구원들과 10명이 넘는 박사후연구원, 그리고 약 40~50명의 학생연구원으로 구성된 국내에서는 가장 큰 양자정보과학 분야 연구팀 중 하나다. 양자컴퓨팅, 양자통신, 양자센싱 분야의 기초원천연구부터 응용연구까지 모두 수행하고 있으며 이론연구자부터 실험연구자까지, 그리고 물리학과, 전자공학과, 재료공학과 등 이학과 공학을 전공한 다양한 분야의 연구자들이 함께 연구에 힘을 쏟고 있다.
“양자정보과학 기술에 사용되고 있는 다양한 물리계(초전도, 이온덫, 중성원자, 양자점, 고체점결함, 광자) 중에서 우리 연구단은 광자와 고체점결함 두 개의 물리계를 기반으로 양자정보 분야 연구를 수행하고 있습니다. 양자정보 분야에 있어서 국내 최고를 넘어 세계적으로도 양자정보과학 연구를 선도하는 대표적인 연구기관으로 잘 성장하고 있다고 생각하고 있습니다.”
무엇보다 가장 큰 특징은 활발한 공동연구다. 연구단에 소속된 각 연구책임자들이 양자정보 분야에서 다양한 연구를 수행 중으로, 연구단 내에서 연구 협력이 활발하게 이뤄지고 있다. 임 박사의 주요 연구 업적 중 하나인 ‘양자 측정에서 정보 보존 관계 규명’ 연구의 경우에도 같은 연구단 내 이승우 박사와의 공동연구를 통해 성공적인 결과를 얻을 수 있었다. 이뿐 아니라 광학 집적 회로 연구를 하는 정호중 박사, 권형한 박사와는 임 박사 연구팀이 하는 실험을 양자 광학 집적 회로로 만들어서 집적 소자 회로로 소형화하는 연구를 함께하고 있다.
“일반적으로 대학의 한 학과에서는 양자정보 분야 교수님들이 여러 분 계시기가 힘들기 때문에 제 옆 오피스에 계시는 박사님들과 매일 만나 이야기를 하면서 공동연구를 할 수 있는 점은 매우 장점이라고 생각합니다. 학생연구원들의 경우에도 다른 박사님 연구팀 학생연구원들과의 협업을 통해 연구 수행을 하는 경험을 쌓을 수 있습니다.”
아울러 KIST 외에도 국내외의 다양한 양자정보 분야 연구자들과의 공동연구를 수행 중이다. 국내에서는 표준과학연구원 이창협 박사·박희수 박사, 국방과학연구소 이수용 박사, 중앙대학교 홍성진 교수·송광용 교수, 한양대학교 이광걸 교수, 고려대학교 김요셉 교수, GIST의 김현우 교수, DGIST 한상윤 교수 등 다양한 연구 분야 및 주제로 최신의 양자정보과학 분야 연구를 수행하고 있다. 해외에서도 스위스 취리히공과대학교 Atac Imamoglu 교수, 미국 일리노이 주립대학 Paul Kwiat 교수, 영국 Imperial College 김명식 교수 등 양자정보 분야의 세계적인 석학 연구자들과의 공동연구를 통해 연구의 완성도를 높여가고 있다.
연구에 왕도(王道)란 없다
임 박사는 연구팀의 리더로서 함께하는 연구원들에게 ‘정도(正道)’를 걸을 것을 강조하며, 때로는 쓴소리가 될지라도 부족한 점을 정확히 짚어주려 노력하고 있다. 과학이란 것도 결국은 사람이 만들어 가는 것인 만큼 정신적인 성숙과 노력이 바탕이 되어야 한다는 사실을 잘 알고 있기 때문이다.
“평소 요령을 바라거나 대충 넘기고자 하는 것을 매우 싫어합니다. ‘실험 결과가 이 정도면 괜찮은데’로는 제 기준을 넘을 수 없고 우리가 할 수 있는 최선의 수준까지 실험 결과의 질을 올릴 것을 요구합니다. 연구자는 최고의 결과를 얻을 수 있을 때까지 최선을 다해야 하고, 그 과정에서 본인이 성장할 수 있습니다. 100점 중에서 80점 정도로 만족하는 사람은 절대 다음 기회가 주어져도 100점에 가까이 갈 수가 없다고 생각합니다. 설령 100점을 얻을 수 없다 해도 그렇게 해야만 98점, 99점에 가까이 갈 수 있습니다.”
또한 같은 길을 한 걸음 먼저 걸어온 선배로서, 같은 목표를 향해 걸어가고 있는 동료로서 연구원들이 겪는 고충을 깊이 이해하고 있는 만큼 가장 합리적인 방향으로 연구실을 운영하기 위해 노력을 기울이고 있다.
“연구는 남들이 하지 않은 새로운 주제 및 분야에서 공부하고, 탐구하는 일이기 때문에 미래 예측이 어렵다는 점에서 정신적으로 어려운 부분들이 있습니다. 야속하게도 가장 열심히 노력하는 사람, 가장 똑똑한 사람이 가장 좋은 연구 결과를 얻지 못하는 경우가 많죠. 그러다 보니 저뿐만이 아니라 지도하고 있는 학생, 박사후연구원들이 본인이 열심히 노력한 것에 대한 보상을 잘 받지 못하는 경우가 있습니다. 이런 부분이 연구자로서 가져야 하는 숙명이고 어려운 점입니다. 최대한 지도하고 있는 학생, 박사후연구원들과 자주 면담을 가지며 합리적이고 공정한 연구실 분위기를 만들고자 노력하고 있습니다.”
최근 양자정보과학 분야가 주목을 받으면서 그 어느 때보다 관심이 뜨겁다. 선진국은 물론 우리나라 정부에서도 양자기술을 12대 국가전략기술로 지정하고, 로드맵을 발표하는 등 2035년까지 양자산업 육성에 집중 투자한다는 계획이다. 과감한 투자와 지원이 이뤄지는 만큼 양자기술 연구 분야의 몸집이 커질 것은 자명하다.
그러나 임 박사는 아직 양자정보과학 기술은 기초연구에서도 풀어야 할 난제들이 매우 많은데, 자칫 과제가 집중화, 대형화 되어가면 기초연구에 대한 지원이 상대적으로 줄어들 수 있다고 우려를 표했다. 기초과학 연구는 투자의 관점이 아닌, 기초과학 그 자체 발전과 그 과정에서 발생하는 고급인력 양성에 중점을 두고 지속적으로 폭넓은 지원이 필요하다고 강조했다. 아울러 학생들의 경우 전공을 선택할 때 현재 유망해 보인다는 이유만으로 접근하는 것은 매우 위험하다며, 모든 학문 분야에는 흥망성쇠가 있고 미래에 어느 분야가 유망할지 예측할 수 없는 만큼 스스로 충분히 심사숙고한 뒤 선택해야 한다고 덧붙였다.
임 박사는 현재 수행 중인 실환경에서 양자 다중 파라미터 측정에 대한 연구, 양자얽힘을 이용한 다자간 양자 네트워크 핵심기술 개발 연구를 성공적으로 이끄는 데 집중할 계획이다. 또한 양자컴퓨팅 분야에서도 광자를 이용한 양자시뮬레이션 연구로 새로운 연구과제를 만들어 보고 싶다는 바람을 전했다. 이렇듯 그는 현재에 안주하지 않고, 새로운 양자기술 개발에 끊임없이 도전장을 내밀며 걸음을 재촉하고 있다. 아무도 가지 않은 불모지에서 불굴의 의지로 꽃을 피우고 있는 과학자, 임향택 박사의 미래가 기대되는 이유다.
취재기자 / 안유정(reporter1@s21.co.kr)
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