현대 사회에서 GPS는 여러 산업과 일상에서 조차 빼놓기 어려운 기술이 되었습니다. 여러 장점과 동시에 문제점 역시 공존하는데, 이러한 단점을 보완할 수 있는 레이저 기술이 소개되었습니다. 이번 포스팅에서는 IEEE Spectrum에 소개된 관련 내용을 전달합니다.
개요
훨씬 더 민감한 동작 센서는 배가 거친 날씨 속에서나 GPS 신호가 군사적으로 방해받을 때에도 자신의 위치를 추적하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 하지만 이러한 고급 센서는 보통 실험실 크기 정도의 규모를 가지고 있습니다. 연구자들은 이제 이러한 센서를 신발 상자 크기로 만들고, 대량 생산 가능성도 있는 새로운 레이저 시스템을 개발했다고 전합니다.
웨어러블 장치에 사용되는 동작 센서는 보통 천분의 1g 정도의 가속도에 민감합니다. 배나 비행기 등 GPS 없이 항해하는 더 큰 차량들을 돕는 더 크고 비싼 가속도계는 자몽 크기 정도로, 샌디아 국립 연구소의 연구원 아쇼크 코디갈라는 이들이 약 백 마이크로 g 정도의 민감도를 가진다고 설명합니다.
이동용 가속도계보다 훨씬 더 정확한 것은 냉각 원자 간섭계입니다. 현재 이 장비들은 나노 g 수준의 민감도를 가지고 있으며, 미래에는 피코 g 수준까지도 발전할 가능성이 있다고 코디갈라는 덧붙였습니다.
원자 간섭계는 양자 센서의 한 예로, 이는 우주의 가장 작은 규모에서 발생하는 이상 현상에 의존합니다. 이러한 양자 효과는 외부 간섭에 매우 민감하며, 양자 센서는 이 취약성을 이용하여 환경의 아주 미세한 변화에도 반응합니다. 양자 센서는 생각의 자기장을 감지하는 등의 응용을 위해 전례 없는 수준의 민감도와 정확도를 달성하고 있습니다.
원자 간섭계의 작동 원리
원자 간섭계는 ‘겹침’으로 알려진 양자 효과에 의존하며, 이는 한 원자가 동시에 두 곳 이상의 위치에 존재할 수 있는 상태를 뜻합니다. 이 센서는 원자를 ‘슈뢰딩거의 고양이’와 같은 상태로 만들어 서로 다른 경로를 따라 이동하게 한 후 다시 합칩니다. 입자와 파동의 이중성이라는 양자 현상에 따라, 입자는 때때로 파동처럼 행동하며 그 반대도 가능합니다. 이러한 원자들이 서로 간섭할 때, 그 파동의 고점과 저점이 서로를 강화하거나 약화시킵니다. 이 간섭의 특성을 분석하면 원자가 서로 다른 경로에서 경험한 미세한 움직임의 차이를 밝혀낼 수 있습니다.
원자 간섭계는 GPS가 없는 내비게이션을 가능하게 할 수 있습니다. 위성 연결은 지하나 수중에서는 작동하지 않으며, 작동하는 곳에서도 방해, 속임수, 심지어 날씨에 취약할 수 있습니다. 양자 동작 센서는 외부 신호에 의존하지 않는 관성 내비게이션 시스템의 기초가 될 수 있습니다.
코디갈라는 내비게이션 외에도 양자 관성 센서의 정밀성과 안정성 덕분에 우주에서 지구의 중력을 지도화하여 물, 빙하, 해수면의 움직임을 기후 분석 목적으로 연구하는 데에도 적합할 것이라고 전했습니다.
그러나 원자 간섭계는 보통 작은 방 크기 정도의 크기를 차지합니다. 심지어 이동형 장치도 미니 냉장고 정도의 크기라고 코디갈라는 설명합니다.
원자 간섭계에서 원자를 겹침 상태로 만들기 위해 사용되는 레이저 시스템은 이 기기의 가장 복잡한 구성 요소 중 하나입니다. 보통 레이저 시스템은 냉장고 크기 정도로 큽니다.
원자 간섭계 소형화
코디갈라와 그의 동료들은 이제 원자 간섭계에서 빛을 제어하는 장치인 실리콘 광학 변조기를 개발했으며, 이는 마이크로칩에 탑재될 수 있습니다. 코디갈라는 궁극적으로 이 장치가 양자 관성 센서를 신발 상자 크기 또는 그보다 작은 크기로 축소할 수 있으며, 이를 다양한 응용 분야에서 훨씬 더 쉽게 사용할 수 있게 할 것이라고 전했습니다.
이전에 코디갈라와 그의 팀은 원자 간섭계의 크기, 무게, 전력 요구 사항을 줄이는 방법을 연구했습니다. 예를 들어, 대형 진공 펌프를 아보카도 크기의 진공 챔버로 대체하고, 보통 광학 테이블 위에 정밀하게 배열되는 여러 부품을 단일 견고한 장치로 통합했습니다.
새로운 연구에서 연구자들은 마이크로칩 크기의 레이저 시스템에서 네 개의 새로운 변조기를 사용했다고 설명합니다. 이 장치는 단일 레이저의 주파수를 조정하여 원자 간섭계에서 여러 레이저가 하는 역할을 대신합니다.
광학 변조기는 종종 센서 성능을 방해할 수 있는 원치 않는 반향, 즉 부작용을 일으킵니다. 새로운 변조기는 이러한 부작용을 전례 없는 47.8 데시벨까지 줄였으며, 이는 소리 세기를 설명하는데 사용되는 측정 단위지만 빛의 세기에도 적용될 수 있습니다. 이로 인해 변조기의 부작용 세기가 약 10만 배나 감소했습니다.
원자 간섭계의 레이저 시스템을 소형화하면 비용 절감에도 도움이 될 수 있습니다. 연구진에 따르면, 거의 모든 컴퓨터 칩과 동일한 공정으로 8인치 웨이퍼에 수백 개의 변조기를 제조할 수 있으며, 기존의 부피가 크고 비싼 원자 간섭계보다 훨씬 저렴합니다.
코디갈라는 아직 칩 크기로 통합해야 할 광학 부품들이 더 있지만, 이번 연구는 훌륭한 시작이며 최초의 시도라고 평가했습니다.
연구자들은 새로운 변조기를 원자 간섭계에 통합했습니다. 비록 그 민감도를 직접 측정하지는 않았지만, 코디갈라는 이번 연구에서 사용된 가속도계의 최종 성능은 아직 최고의 실험실 양자 관성 센서와 경쟁할 수준은 아니라고 말했습니다. 그는 “이 분야에서 계속해서 발전하고 있습니다.”라고 덧붙였습니다.
마무리
이번 포스팅에서는 고도화된 동작 센서 기술, 특히 원자 간섭계를 중심으로 한 양자 센서의 발전 가능성과 그 응용 분야에 대해 알아보았습니다. 이러한 기술은 현재 실험실 규모의 장비에서 점차 소형화되며, 향후 GPS 없는 내비게이션이나 기후 변화 분석 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다. 앞으로도 이와 같은 혁신적인 기술이 실용화되어 더 많은 산업과 연구에 기여할 수 있기를 기대합니다.