■ 세계에서 가장 정밀한 퀀텀 자이로스코프 개발

 

■ 세계에서 가장 정밀한 퀀텀 자이로스코프 개발

 

● 광주과학기술원(GIST), 양자 역학 원리 이용, 퀀텀 자이로스코프 개발

 

국내 연구진이 양자 역학의 원리를 이용하여 세계에서 가장 정밀한 자이로스코프(gyroscope)를 만들어 냈다. 위성 항법 장치(GPS)나 스마트폰, 자율주행차, 사물인터넷 등의 위치 확인 및 항법 장치 등에 보다 정밀하고 빠른 정보를 제공하는 데 활용될 수 있어 주목된다. 광주과학기술원(GIST·지스트)은 함병승 전기전자컴퓨터공학부 교수 연구팀이 파동 양자 광학의 결과인 결맞음 드브로이파(CBW)를 사냑자이로스코포에 적용한 퀀텀 자이로스코프(quantum gyroscope) 이론을 개발했다고 2021년 11월 22일 밝혔다. 기존 사냑자이로스코프의 해상도를 최소 4배 초월하는 퀀텀사냑자이로스코프를 동일 조건에서 구현할 수 있는 새로운 원리이다.

 

자이로스코프(gyroscope)는 무인 비행, 유도 무기, 잠수함, 우주선 등에 필수적인 관성 항행은 물론, 지구과학에 필수적인 측지학(geodesy)에 쓰이는 도구이다. 회전체의 역학적인 운동을 관찰하는 실험 기구로 광섬유 자이로스코프(optical fiber gyroscope)가 대표적이다. 최근에는 MEMS (미세 전자 기계 시스템) 기술을 적용하여 초소형 전자부품으로도 생산된다. 이는 태블릿, 스마트폰 등 전자기기에 널리 사용되며, 정보통신기술(ICT), 사물인터넷(IoT), 자동차와 같은 다양한 분야에서 중요한 역할을 한다.

 

현존하는 가장 좋은 자이로센서는 사냑(Sagnac) 기반으로 수백 제곱미터 크기의 링레이저 간섭계로 구성되어 있다. 지구 회전 오차 한도를 1억분의1 이상의 해상도로 측정할 수 있다. 보통 광섬유 자이로스코프를 이용하여 고해상도를 확보하는데, 이는 드론. 유도 무기. 잠수함 등에 있어 필수적인 관성 항법의 핵심 기술이다.

 

연구팀이 개발한 퀀텀 자이로스코프(quantum gyroscope)란 기존 자이로스코프와 동일한 구조를 갖되 중첩 마하젠더 간섭계에 기초한 CBW 양자 센서 기법을 적용하여 각가속도 변화량을 양자 기법으로 측정하는 물체의 회전 변화율에 대한 양자 센서를 말한다. 기존 단일 광자쌍에 기초한 양자 센싱 기술과는 달리 레이저 빛을 그대로 적용하여 기존 자이로스코프 해상도를 최대 4배 초과하는 거시 양자 자이로 센서에 관한 것이다. '거시 양자 센싱'이란 빛의 입자성에 기초한 기존의 양자 센싱과는 달리 빛의 파동성을 이용해 빛의 세기와는 무관하게 적용되는 새로운 양자 센싱 원리로 CBW 양자 센서라도도 한다. CBW 양자 센서는 단일 광자쌍에 기초한 기존의 양자 센싱 원리와는 달리 간섭계의 위상 중첩에 기초하여 광자 세기와는 무관하게 양자 센싱을 확보하는 파동 양자 센서이며, 함병승 교수가 최초로 제안했다.

 

함병승 교수는 "기존 양자 센싱에 있어서는 다중 포톤 얽힘쌍 확보가 미해결로 남아있어 양자 센서 적용이 어려웠고, CBW 양자 센서에 있어서는 간섭계의 왕복 경로 채택으로 라이다(Lidar)와 같이 빛반사에 기초한 단방향 적용이 어려웠다. 양방향 회전을 기본으로 하는 자이로스코프에 있어서는 왕복 경로 간섭계가 자동적으로 구성되기에 손쉽게 적용할 수 있었다" 라고 설명했다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 사이언스 자매지인 'Advanced Devices & Instrumentation'에 2021년 11월 03일 온라인 게재됐다.