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눈에 보이지 않는 미시세계 측정 '양자혁명' 실현

2017-04-21기사 편집 2017-04-21 18:35:23

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한국표준연구원

첨부사진1한국표준과학연구원 전경
한국표준과학연구원(KRISS)은 양자 메트롤로지(quantum metrology) 원천기술 개발을 신규 주요 연구사업 중 하나로 선정했다.

이는 물질을 최소 단위인 양자 수준에서 접근해 측정하자는 것이다. 양자 자체가 생소한 일반인에게는 왜라는 질문부터 나올 수밖에 없다. 그 해답을 듣기 위해 KRISS 미래측정기술부 양자측정센터장 최상경 박사를 만났다.

최 박사는 "우리가 보는 거시적인 세계에서의 측정은 단순히 크기를 재는 것이다. 하지만 물질이 더 이상 쪼갤 수 없는 알갱이, 즉 양자 수준까지 도달한 미시적인 세계에서는 측정이 이 알갱이들의 개수까지 세는 단계로 진입하게 된다"며 "뭉쳐 있던 덩어리를 쪼개서 알갱이까지 셀 수 있으니, 가장 정확한 측정이 가능하다"고 말했다.

그럼 정확한 측정은 왜 필요할까. 최 박사는 그 예로 KRISS에서 개발 중인 '광격자 시계'를 들었다. 빅뱅으로 우주가 137억 년 전에 탄생한 시점 이후 오늘날까지 계속 작동했다면 오차가 겨우 1초뿐인 이 시계는 물론 우리가 시간을 보기 위해 필요한 건 아니다. 머지않아 맞이할 4차 산업혁명 시대에는 빅데이터 통신을 위해 시간당 주고받는 정보량이 기하급수적으로 늘어난다. 이 때 시각정보의 정확성이 지금과는 차원이 다른 높은 수준을 필요하게 되며 지금의 기술력으로는 한계가 있다.

◇'양자 혁명'의 근간은 '양자 메트롤로지'=양자 전문가들은 곧 다가올 4차 산업혁명에서 양자산업이 기여할 부분으로 '양자 센서', '양자 암호통신', '양자 컴퓨팅' 세 분야를 꼽는다. 최 박사는 "이러한 '양자 혁명'은 '양자 메트롤로지'를 근간으로 한다. 암호통신과 컴퓨팅 이전에 가장 먼저 필요한 것이 센서를 통한 측정"이라며 "양자 센서가 정확한 값을 측정해야 그 다음의 모든 과정이 올바르게 이루어지는 것이다. 그리고 이 양자 센서는 양자한계에 도달한 측정을 추구하는 양자 메트롤로지 기술을 통해 구현된다"고 말했다.

양자 메트롤로지는 이미 KRISS에서 개발 중인 '광격자 시계', '와트저울' 등의 다양한 측정기술에 적용되고 있다. 진행형이 아니라 새롭게 도전하는 이번 연구는 △양자 칸델라(cd) △이머징 테크놀로지(emerging technology) 두 분야다.

최 박사는 "양자 칸델라 연구의 목표는 측정 정확도를 빛의 알갱이 입자인 광자를 세는 수준까지 올려 빛의 표준단위인 칸델라(cd)를 정확하게 정의하는 것"이라며 "이를 위해 광자를 낱개 단위로 방출하는 '단일 광자 광원'과 그것을 잡아낼 수 있는 '단일 광자 검출기'를 개발하고자 한다"고 밝혔다.

일반적으로 상온에서는 열로 인한 '잡음' 때문에 양자 수준의 정확한 측정이 불가능하다. 그래서 KRISS는 냉각장치를 이용, 극저온 상태에 도달한 환경을 만들어서 연구를 진행하고 있다. '이머징 테크놀로지'는 이러한 극저온 측정장비를 기반으로 하고 있다.

최 박사는 "현재의 연구목표는 포논(phonon·진동 알갱이) 하나하나를 셀 수 있는 수준까지 도달하는 것"이라며 "그 후의 적용분야는 다양하다. 예를 들어 디스플레이나 반도체 공정에서 미세먼지 알갱이를 감지할 수 있고, 미세한 오염물질 입자, 방사성 입자 등을 검출할 수도 있다"라고 했다. 현재의 기술력은 알갱이 5-10개 수준의 진동까지 측정할 수 있다.

◇산업의 진보는 수준 높은 측정 인프라를 바탕으로 해야=최 박사는 서울대를 나와 미국 노스웨스턴 대학에서 양자광학을 전공하고 박사학위를 받았다. 그 후 독일의 막스플랑크 연구소, 영국 국립물리연구소(National Physical Laboratory) 등을 거쳐 2003년 KRISS에 입원했으며, 시간센터에서 근무하다가 나노양자 과제에 참여하면서 2006년부터 본격적으로 양자측정 관련 연구를 시작했다.

그는 "당시의 광학기술을 이용해 가능한 한 최대한의 양자연산을 연구하자는 것이 목표였다. 연구팀은 6년 동안 한 우물만 파서 2012년에 그 성과를 논문으로 발표했다"며 "그 때의 기술력으로는 최고 수준까지 연구했으니 이제는 '단일 광자 광원'과 같이 다음 단계의 연구를 가능하게 하는 기술력, 즉 측정 인프라의 수준을 올리는 일에 집중하고 있다"고 설명했다.

마지막으로 최 박사는 "측정기술과 측정 인프라가 발전해야 첨단연구가 원활히 이루어지고, 산업이 진보할 수 있다"며 "양자 메트롤로지 기술을 통해 측정의 범주가 미시세계의 바닥까지 파고드는 양자 혁명이 4차 산업혁명의 진화에 크게 영향을 미칠 것이다"고 전망했다. 김달호 기자



※ 이 기사는 한국표준과학연구원의 지원을 받아 작성 됐습니다.





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첨부사진2최상경 박사는 '양자 혁명'의 최전선에 '양자 메트롤로지 기술'(양자현상에 기반한 정확한 측정과학기술)이 있다고 말했다.
첨부사진3[첨부2] 최상경 박사(KRISS 양자측정센터장)은 '알갱이의 개수를 세는 수준에서 가장 정확한 측정이 가능하다'고 말했다.

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