GIST, "기존 주파수 해상도 대비 100만배 뛰어난 양자 분광기 가능"

기존 주파수 해상도보다 100만배 더 뛰어난 양자 분광기 구현 방법론이 제시됐다. 기존 분광기에도 탑재가 쉬워 광학정밀계측계에 파장이 예상된다.

광주과학기술원(GIST, 임기철 총장)은 함병승 전기전자컴퓨터공학과 교수가 공간광변조기(SLM)를 이용해 ‘양자분광기’를 구현할 수 있는 가능성을 확인했다고 6일 밝혔다.

SLM은 빛의 공간적 특성을 제어해 영상을 표시하거나 변조하는 장치다. 주로 전자광학 소자나 액정 디스플레이 기술을 활용해 빛의 세기, 위상, 편광 등을 조절한다.

기존 대비 100만배 더 뛰어난 양자분광기 제조 방법론을 제시한 GIST 함병승 교수.(사진=GIST)

픽셀 수가 많을수록 더 세밀한 빛의 조절이 가능해 고해상도의 영상을 표현하는데 용이하다. 또, 외부 환경의 노이즈나 간섭에 강한 안정성을 보이는 경우가 많아 다양한 조건에서도 안정적인 동작을 유지하는 장점이 있다.

함 교수는 이 분광기 기술 연구에 독자 정립한 ‘초해상 양자센싱’이론도 응용했다. 이 이론에 따르면 고전광학과 호환 가능하면서도 빛의 파동과 양자 얽힘을 활용해 무한대 양자 센싱이 가능하다.

함병승 교수는 "수치 시뮬레이션과 실험을 통해 주파수 해상도가 10배에서 최대 100만 배까지 향상될 가능성을 검증했다"며 "주변 소음에도 강한 안정성을 갖춘 것을 확인했다"고 설명했다.

함 교수는 "기존 양자 광학 기반 기술이 요구하는 복잡한 장비 없이도 비교적 간단한 구성만으로 양자 수준의 감도와 해상도를 확보할 수 있다는 점에서 큰 의미가 있다"고 부연설명했다.

양자 스펙트로미터구조. 그림 a는 기존 스펙트로미터, b는 양자스펙트로미터. SLM은 공간광변조기, FCU은 주파수차계수기, P는 편광기, PD는 광검출기, PBS는 편광빛가르개를 뜻한다.(그림=GIST)

함 교수는 "이번 연구의 가장 큰 성과는 단일광자 기반의 고차원 얽힘 광자쌍을 사용하는 대신, 일반적인 레이저를 활용해 ‘위상조절 세기곱'이라는 혁신적인 이론을 창안한 것"이라고 말했다.

위상조절세기곱은 빛의 위상 정보를 정밀하게 제어하고, 광 강도(intensity)의 고차 상관관계(higher-order correlation)를 결합해 해상도와 측정 감도를 극대화할 수 있다.

분광기는 물질이 빛을 흡수하고 방출하는 방식을 정량적으로 측정하는 장치다. 알려진 파장(헬륨네온 레이저)과의 주파수 차이를 분석해 미지의 빛의 파장을 정확히 파악할 수 있다.

이를 통해 화학물질의 구성, 농도, 반응 동역학 등을 분석한다. 환경 모니터링, 품질 관리, 생화학 연구 등 다양한 분야에서 폭넓게 활용된다.

함병승 교수는 "기존 양자 센싱은 얽힘 광자를 사용해야 하는 복잡성과 환경적 노이즈에 취약하다는 문제가 있었다"며 "이 문제 해결을 위해 간섭계의 스캐닝 모드를 이용, 간섭무늬의 변화를 정확하게 세는 고전방식으로 노이즈 저항성과 높은 안정성을 동시 확보했다"고 말했다.