광자 폭발, 양자 센서 성능 100배 이상 향상시킨다

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양자 기술, 그리고 양자 센서

양자 기술은 간단히 말하면 양자 효과(quantum effect)를 응용하여 사용하는 기술입니다. 양자 효과는 원자와 우주의 다른 구성 요소들이 본질적으로 두 개 이상의 장소나 상태에 동시에 존재하는 것의 중첩 상태로 이루어진다는 것을 말합니다. 이러한 양자 효과는 외부 간섭에 아주 취약하지만, 이 양자 효과를 사용한 양자 센서(quantum sensor)는 이 취약성을 활용하여 환경의 사소한 변화를 아주 고민감도로 감지할 수 있도록 설계된 장치입니다. 양자 센서는 전례 없는 수준의 고민감도를 갖는데, 이를 이용해서 사람이 생각할 때 발생하는 자기장을 감지하거나 암흑 물질(dark matters)에서 발생하는 라디오파를 측정하는 것도 가능하다고 합니다. 과학자들은 땅 속에 묻혀있는 것들을 스캔하거나 뇌 활동을 비침습적으로 스캔하는 데에도 이 양자 센서를 사용하기 위해 연구하고 있습니다.

 

일반적인 고체 상태 양자 센서 플랫폼은 내부에 결함이 있는 미세한 인공 다이아몬드로 구성되는데, 여기서 탄소 원자가 질소 원자로 대체되고 인접한 탄소 원자가 누락됩니다. 이러한 중심 질소 공동(nitrogen-vacancy center)은 각각 0과 1의 두 에너지 수준의 중첩 상태에 존재하는 "양자 비트 (혹은 큐비트)"로 생각할 수 있습니다. "녹색 레이저광을 조사할 때, 큐비트가 0이 아닌 1의 상태일 경우에만 적색광의 강한 형광을 얻을 수 있습니다," 라고 시카고 대학의 이론 양자 물리학자 Aashish Clark가 말합니다. 자기, 전기, 열 및 기타 장애는 이러한 반응을 변화시킬 수 있는데, 이로써 중심 질소 공동이 센서 역할을 하도록 하는 것입니다.

 

노이즈의 역이용

그러나 중심 질소 공동을 기반으로 하는 일반적인 고체 상태 양자 센서는 측정하는 동인 노이즈에 영향을 많이 받으며, 이 노이즈는 센서의 달성 가능한 감도를 크게 제한합니다. Clark를 포함한 연구팀은 그간 별 도움이 안 된다고 여겨졌던 양자 효과가 이러한 양자 센서의 민감도를 극적으로 향상시키는 데 도움이 될 수 있다는 것을 발견했습니다. 이를 잘 활용하면 두자리 혹은 세자리수 단위의 센서 민감도 향상이 가능하다고 합니다.

 

고체 상태 양자 센서는 수백 또는 수천 개의 큐비트를 가질 수 있습니다. 이는 광자 폭발로 에너지를 집단적으로 방출할 수 있습니다. 초방사 붕괴로 알려진 이 효과는 양자를 감지하는 데 약간의 노이즈를 발생시키기 때문에 원치 않는 현상입니다. 하지만 이 붕괴로 인한 노이즈는 측정값 판독 중에 고체 상태 양자 센서가 경험하는 것보다 훨씬 작은 값을 갖습니다. 연구원들은 이 붕괴 동안 큐비트 간에 발생한 상호 작용을 관찰했을 때 잠재적으로 활용 가능성이 있다는 것을 알아냈다고 합니다. 각 큐비트가 1에서 0으로 분해될 때, 그것은 중첩 상태로 남아 있는 다른 모든 미결정 큐비트에 약간의 자극을 가한다는 것입니다. 과학자들은 이 자극이 놀랍게도 나머지 큐비트로 인코딩된 정보의 탐지 가능성을 확대할 수 있다는 것을 발견했습니다. 만약 연구원들이 초방사성 붕괴가 제한된 시간 동안만 일어나도록 내버려둔다면, 그 안에 있는 신호를 상당히 증폭시키면서 큐비트의 절반이 온전하게 유지될 수 있을 것입니다.

 

연구원들은 마이크로파 또는 기계적 공진기를 중심 질소 공동 양자 센서의 큐비트와 결합하면 판독 전에 초방사 증폭 단계를 가능하게 하는 데 도움이 될 수 있다고 제안합니다. 이는 결과적으로 장치의 민감도를 크게 증가시킬 것입니다. 과학자들은 이 접근 방식이 다이아몬드의 실리콘 공동을 기반으로 하는 플랫폼과 같은 많은 다른 양자 감지 플랫폼과도 작동해야 한다고 덧붙입니다. 

* 원본 기사: https://spectrum.ieee.org/superradiance-sensor

* 논문 보기: https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.3.030330