양자 감지(Quantum Sensing) – 새롭게 떠오르는 양자 기술

양자 이론이 확립된지도 100년이 되어 간다. 그 시작은 생경하고 납득하기 어려운 말과 수식의 장난 같았다. 하지만, 그동안 이루어진 무수한 실험과 계산은 양자 이론의 정확성과 유용성을 수 없이 입증 해왔다. 의심할 여지 없이. 그렇다고 양자이론에 대한 본질적인 질문이 끝난 건 아니다. 가장 권위있는 과학자에게도, 양자 이론은 여전히 마음을 불편하게 하는 이론이다.
이는 단순히 양자적인 개념이 우리가 접하는 현상과 동떨어져 있기때문만은 아니다. 그보다는, 양자 세계를 근본적으로 이해하는 방식에 있어 모호함과 큰 어려움이 있기 때문이다.
양자 기술은 이러한 양자 이론의 이해하기 힘든 요소들을 역으로 활용하자는 아이디어에 근거하고 있다.

양자 상태의 중요한 특징은 중첩성^{superposition}이다. 어떤 양자 물체의 \({\rm A}\)라는 물리량을 측정한다고 하자. 그리고 그 측정의 결과는 \({\rm A_1}\) 혹은 \({\rm A_2}\)만 가능하다고 하자 [1]. 우리의 일상적인 경험에 의하면, 이는 곧 그 물체가 \({\rm A_1}\) 혹은 \({\rm A_2}\)를 나타내는 두 가지 상태만 가질 수 있다고 생각하게 할 것이다. 하지만 그 양자 물체는 그림 1에 나타나듯이 임의의 중첩상태로 있을 수 있다. 이러한 중첩 상태는 단순한 가상이 아니다. 현대의 과학 기술로 다양한 중첩 상태를 실험적으로 준비하고 측정할 수 있음이 충분히 입증 돠었으며 [2], 이는 양자 기술의 핵심적인 아이디어^idea가 되었다. 중첩으로 인한 무한히 많은 양자상태에 대한 인식은 양자 계산^{quantum computing}의 가능성을 열었다. 두가지 이상의 다른 물리량에 대한 중첩상태로 비롯된 얽힘^entanglement 현상은 양자 통신^{quantum communication}의 출발점이 되었고, 양자 계산 알고리즘^{quantum algorithm}의 중요한 수단으로 역시 쓰여지고 있다.

지난 30여년간 양자 기술은 초기의 가상적인 개념에서 어느 덧 주류 과학 기술의 한 분야로 발전했다. 양자 통신을 실재 세계에서 구현할 수 있음은 대형 실험들로 입증 되었고, 이제 상용화를 위한 기술적인 문제들이 꾸준히 해결되고 있다. 양자 계산 역시 아직 초보적이지만 실질적인 물리 문제 계산이 가능한 상태에 도달하였다. 하지만 현재의 슈퍼 컴퓨터를 능가하는 진정한 양자 컴퓨터를 실현하는 데에는, 해결해야 할 하드웨어^hardware와 소프트웨어^software 문제들이 아직 크고도 많다. 특히 하드웨어 문제는 기초과학의 범위를 넘어, 고도의 공학^engineering을 요구하는 단계이다. 따라서 진입 장벽이 무척 높아졌다. 양자 소프트웨어와 알고리즘 역시 수학과 컴퓨터 과학^{computer science}의 한 분야로 특화되어 기존의 이론 물리적인 접근으로부터 많이 멀어져 있다. 반면 양자 기술의 비교적 초기단계인 양자 센싱^sensing은 [3, 4] 아직도 지금 당장 실현 가능한 물리 혹은 물리화학적 이론과 실험으로도 새로운 개발이 가능하다. 그리고 그 결과로 큰 부가가치가 있는 양자 기술에 도달하는게 상대적으로 쉬워 보인다. 이는 단순히 필자의 의견이 아니며, 세계적으로 이미 상당히 보편화된 생각이다. 유럽 과학계는 15년 전부터 대규모의 투자를 양자 센싱에 해왔고 미국 또한 최근 약 5년동안 집중적인 투자를 해오고 있다. 양자 기술의 후발 주자인 대한민국은 양자 센싱에

우선적인 투자를 하는게 더 적절할 수 있다. 왜냐하면 확실한 결과가 예상되며 짧은 시간에 선두적인 연구를 할 수 있기 때문이다. 그리고 그 결과로, 다른 양자 기술에 적용 가능한 기술을 선도할 가능성도 더 크다.

영어로 센싱^sensing 한다는 것은 크게 두 가지 의미가 있다. 하나는 생물학적으로 감각 기관을 이용하여 감각하는 것이며 다른 하나는 물리적인 기기로 탐지^detect 하는 것이다. 그러면 `양자 센싱’에서 센싱은 과연 어떠한 것을 의미하는가? 이에 대한 답은 잘 정의 되어있지 않는데, 어느정도는 의도적인 듯 하다. 이는 양자 센싱이 새로운 양자 과학 기술의 한 분야로 보편적으로 자리 잡히던 2010년도 초반 한창 인기를 끌었던 양자 생물학^{quantum biology} 연구 주제들의 영향으로 보인다. 예를 들어서, 생물체가 냄새를 맡는 과정이나 새들이 지구 자기장을 감각하는 과정들이 양자적인 과정이라는 가설이 양자 생물학에서 제시되었고 한동안 활발한 연구의 대상이었다. 즉 양자 센싱이 자연적으로 일어나는 생물학적인 감각 과정까지도 포함할 가능성이 열려 있었다. 하지만 아직까지도 광합성의 초기 과정을 제외하고는 검증된 양자 생물학적인 작용들은 존재하지 않는다. 따라서 지금 현재 활발히 진행되고 있는 양자 센싱 연구들은 양자 정밀 측정^{quantum metrology}의 계승 발전된 형태라고 보는게 타당하다. 그럼에도 불구하고, 우리가 아직 알지 못하는 감각 과정에 개입된 양자 현상이 발견될 가능성은 여전히 있다.

또한 생물학적 감각 이후의 지각 과정에서 양자 현상이 중요한 역할을 하는것도 완전히 배제할 수도 없다. 따라서, 필자는 폭넓게 센싱^sensing을 감지로 번역하고자 한다. 즉 `양자 감지’라는 용어는 물리적인 양자 기기를 이용한 탐지와 정밀 측정을 포함하면서도, 양자 현상에 근거한 감각 혹은 지각 과정을 새로이 발견할 수 있는 가능성 또한 함축하며, 미래 지향적이다.

그렇다면 양자 감지는 무엇을 감지할 수 있다는 것인가? 원론적으로 이에 어떤 제한은 없지만, 지금까지 성공적으로 알려져 있는 것들은 자기장, 전기장, 온도, 중력 등이 있다 [3, 4]. 그 외에 가속과 회전의 정도를 측정하는 장치도 있다 [3, 4]. 이 모든 것들이 기존의 과학 기술로도 측정이 가능한데, 양자 감지는 무엇이 다른가? 주된 차이는 양자 현상이 적극적으로 이용될 때, 특히 그림 1에서 보여진 중첩 상태 혹은 그 파생적인 현상이 이용될 때, 아주 정확한 측정이 가능하다는 것이다. 왜 중첩 상태가 정확한 측정에 중요한 역할을 하는지 충분히 이해하기 위해서는 양자 이론의 수학적인 이해가 어느정도 필요하다. 따라서 자세한 설명을 하기는 힘들지만, 이는 중첩을 특정한 방식으로 하면 그렇지 않을 때에 비해서 원하는 물리량의 측정에 관여된 불확정성이 최소화될뿐 아니라 개별적인 양자 상태의 오차를 상쇄 시킬 수 있다는 원리에 근거한다 [2, 3].  특히 중첩의 최적화된 상태의 하나인 압축 상태 ^{squeezed state}의 얽힘^entanglement을 이용했을때 기존의 한계룰 뛰어넘는 측정이 가능하다는게 최근에 실험적으로 입증되었다 [6, 7].

지금 현재 실현 가능한 몇몇 양자 감지기의 성능은 이미 탁월하다. 예를 들어서 초전도체를 이용한 양자 감지기는 1초동안 약 \(10^{-17}\ {\rm Tesla}\)의 정확도로 자기장을 측정할 수 있다.

이보다 약간 못하지만 중성 원자 기체를 이용한 감지기 (그림 2 참조) 역시 1초동안 약 \(10^{-16}\ {\rm Tesla}\) 이하의 정확성을 가지고 있다. 참고로 지구의 자기장은 \(25-65\times 10^{-6}\ {\rm Tesla}\)이고, 인간의 뇌에서 발생되는 자기장은 약 \(10^{-13}\ {\rm Tesla}\)이다. 따라서 이러한 양자 기기로 정교한 지질학적인 연구 [8] 혹은 뇌에서 나오는 자기장을 연구 하는 게 가능하고 이미 기술적으로 실현되어 가고 있다 [4]. 또한 양자 감지의 중요한 특징은 극도로 소형화가 가능하다는 것이다. 특히 최근 각광을 받고 있는 다이아몬드를 이용한 양자 감지기는 (그림 3 참조) 마이크로 미터^{\(10^{-6}{\rm m}\)}는 물론 나노미터^{\(10^{-9}\ {\rm m}\)} 길이에서 일어나는 변화를 측정 가능하게 해준다. 이런 가능성은 다양한 과학 기술로 발전 될 수 있다 [4]. 예를 들어서 더 정확하면서도 극 소형화 된 MRI도 가능한데, 그 의학-경제적 파급 효과는 가늠하기 어려울 것이다.

자기장의 양자 정밀 측정^{quantum metrology}을 양자 감지의 초기 형태로 보면, 사실 양자 감지의 역사는 무척 길다. 그리고 이런 발전에 있어서 가장 오래 되었지만 아직까지도 가장 정확한 기구로 쓰이는 건 초전도 양자 간섭 장치^{superconducting quantum intereference device}, 약칭으로 스퀴드^SQUID이다. 스퀴드는 두 초전도체를 일반 금속 혹은 절연체의 막으로 접속시킨 물체로, 브라이언 조셉슨^{Brian Josephson}이 22살의 박사과정 학생으로 예측한 조셉슨 현상을 이용한 장치이다 [9]. 이 현상에 의하면 양자 꿰뚫기^{quantum tunneling}에 의하여 접합점을 초전도 전류가 통과하며, 이는 자기장에 극도로 민감하다. 자기장 측정에 사용되는 스퀴드는 원형 루프^loop를 형성하고, 내부를 통과하는 자기장에 따라서 변하는 초전도 전류의 양자적 특징을 전기적으로 측정함으로 자기장의 세기를 측정한다. 이처럼 스퀴드를 이용한 양자 감지기는 단순하면서도 깨끗한 초전도 양자 효과에 근거하고 있으며, 초전도체의 발전과 더불어 정확성과 경제성 측면에서 꾸준한 발전해 왔다. 하지만 아직도 극저온을 필요로 하고 초전도체를 제작하고 유지하는데에 들어가는 비용때문에 제한적으로만 쓰여지고 있다.

중성 원자 기체를 이용한 자기장 감지기 또한 그 역사가 길다 [3]. 이는 초전도체를 이용한 감지기보다 정확도는 떨어지지만, 상온에서 작동이 가능하고, 소형화할 수 있고, 이동이 쉽다는 장점이 있다. 특히 최근에 이루어진 발전의 결과로, 그 정확성을 초전도 기기와 견줄만큼 향상시키는 것이 가능해졌다. 중성 원자들에 이용되는 양자 현상은 비교적 간단하고 잘 알려져 있다. 양자 이론의 초기에 수소 원자의 내부 전자 상태에 대한 이론이 완성된 이후에, 주기율표에 존재하는 모든 원자들의 다전자^{many-electron} 양자 상태에 대한 연구가 원자 물리와 분광학 분야에서 지속적으로 이루어 졌다. 이러한 연구 결과들은 거의 모든 원소들 내부의 다 전자 상태에 대한 정확하고 완벽한 정보를 제공해준다. 특히 전자들의 각 운동량^{angular momentum}과 스핀^spin 그리고 핵의 스핀들이 모두 결합되어, 비슷하지만 극히 작은 에너지 차이 값^{hyperfine splitting}을 가지는 양자 전자 상태들을 측정하고 계산하는게 가능해졌는데, 이들의 상대적인 에너지는 자기장에 매우 민감하게 반응한다. 이러한 자기장에 민감한 변화는 지이만^Zeeman 효과로 물리화학과 양자 물리 교과서에 잘 설명되어 있는데, 결국 중성 원자를 이용한 양자 감지는 이러한 지이만 효과를 현대적인 레이저 기술로 능동적으로 이용한 결과로 보면 된다. 현재 이를 위해서 흔히 쓰여지는 중성 원자들로 루비듐^{rubidium, Rb}과 (그림 2 참조) 세슘^{cesium, Cs}이 대표적이다.

다이아몬드의 견고성은 동일한 탄소 원자들이 정사면체 결정구조로 연결된 데서 나온다. 그런데 이 결정을 이루는 탄소 하나가 질소로 치환되고 그 옆의 다른 탄소가 제거된 공백에 전자 하나가 추가되면, 그 공백 – 이를 다이아몬드의 질공 중심^{NV Center}이라 하자 – 안에 갇혀있는 전자들이 두가지 비슷한 에너지 값을 가지는 양자 에너지 상태로 안정적으로 존재한다 (그림 4 참조). 다이아몬드의 투명성과 견고함은 이 전자 상태들을 레이저를 이용하여 정확하게 통제할 수 있게 해준다. 또한 기저상태의 두 에너지 값과 레이저에 의해서 들뜨게 되는 에너지 값들이 모두 질공 중심의 주변 환경에 민감하게 반응하기에, 양자 감지에 유용하다. 이미 다이아몬드의 질공 중심은 자기장 감지를 위한 훌륭한 도구로 사용되며, 그 외에 전기장, 온도, 압력을 감지하는 데에도 지속적으로 개발되고 있다.

초전도 스퀴드, 중성 원자 가스, 그리고 다이아몬드 질공 중심 모두 양자 감지 연구가 활발하기 전에 이미 존재하던 시스템들이다. 현대 양자 기술의 발전과 더불어, 이들의 특성을 적극적으로 활용할 수 있는 방법들이 개발 되었고, 이제 이들은 의심할 여지 없이 잘 정립된 양자 감지기가 되었다. 하지만 전반적인 양자 감지의 가능성 면에서 고려해 봤을 때, 이들은 아직 상당히 제한적이다. 더 작은 공간에서 더 민감하고 더 정확히 통제 가능한 시스템에 대한 필요가 끊임없이 제기되는데, 이는 현재 많은 물리학자와 물리화학자의 활발한 연구 대상이다. 이중에서 보론과 질소로 이루어진 이차원 판 내부의 빈 공간(그림 5, 왼쪽그림 참조)은, 다이아몬드 질공 중심보다 더 뛰어난 성질을 지닌 양자 감지기로 큰 주목을 받고 있다. 추가로 아직 초기 단계이지만 분자에 근거한 양자 감지 장치를 합성하는 노력도 활발히 이루어지고 있다 (그림 5, 오른쪽 그림 참조).

양자 이론이 성립된 이후 지난 세기 동안 기존의 혹은 새로운 양자 시스템들의 성질과 특성을 파악하는데 주된 노력이 기울여져 왔다. 이런 노력은 앞으로도 지속되어야 하지만, 이제 잘 이해된 양자 시스템의 독특한 성질을 이용하여 기존에 불가능하던 정보를 얻고자 하는 사고의 전환도 필요하다. 양자 감지는 이러한 사고 전환의 대표적인 예이다. 양자 감지가 비교적 짧은 시간 안에 중요한 과학 기술 분야로 자리잡은 이유는 이러한 전환적 사고를 바로 적용할 수 있는 시스템과 도구 그리고 방법론이 이미 존재했기 때문이다.

실험 방법론적으로 보면 현재의 양자 감지는 기존의 분광학에 양자 정보학의 초보적인 이론을 결합한 형태이다. 따라서 앞으로 방법론에 대한 이론과 구체적인 실험 수행 방법에서 개선의 여지가 많다.

특히 중첩 상태와 얽힘 상태를 어떻게 하면 가장 효율적으로 사용하는지, 측정과 주변 환경으로부터 오는 오차를 최소화하는 방법은 무엇인지, 그리고 양자 감지의 대상을 어떻게 하면 보편화 하는지에 대한 이론적인 연구와 그 실험적 검증이 시급한 편이다. 이를 위해서 근본적인 양자 측정 이론^{measurement theory}, 양자 평가 이론^{estimation theory}, 그리고 일반 적인 열린 계의 양자 동력학^{open system quantum dynamics}등의 이론과 방법론에 대한 연구가 중요한 역할을 할 것이다. 양자 감지가 아직 초기 단계에 있기에 이러한 발전이 어떻게 전개될지는 예측하기 힘들다. 하지만 분명히 실현 가능하고, 그러한 발전을 통해서 양자 감지 분야가 새로운 에너지, 정보, 그리고 의료과학 기술의 발전에 중요한 기여를 할 수 있을 것이라는 확신은 많은 과학자들이 공유하고 있다.