양자측정기기 개발 핵심원리 발견

[산업일보]
빛을 구성하는 근본입자인 광자(光子, Photon)의 일부 거동에 대한 비밀이 공개됐다. 광자의 특성을 규명한 국제 공동연구팀의 이번 연구결과는 향후 기존 광학기기의 분해능을 향상시킬 양자측정기기 같은 정밀측정 분야에 응용될 것으로 기대된다.

광자는 빛을 구성하는 근본입자로 GPS나 초정밀 원자시계 등에 이용되며 향후 양자암호나 양자컴퓨터 등에 응용될 것으로 주목받고 있다.

포항공과대학교 물리학과 김윤호 교수 연구팀과 독일 프라이부르크 대학 이론연구진이 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(도약) 및 일반연구자지원사업(기본)의 지원으로 수행됐으며, 연구결과는 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)지 온라인판 9월 11일자에 게재됐다. (논문명 : Observation of detection-dependent multi-photon coherence times)

정밀측정 분야에서는 주로 물체에 입사하는 빛의 간섭현상(Interference, 두 개 이상의 빛이 한 지점에서 만나 상호작용할 때 진폭이 합쳐지거나 상쇄되어 빛의 밝고 어두운 무늬가 나타나는 현상)을 이용해 물체의 두께나 굴절률을 측정하는데, 특히 간섭현상이 유지되는 결맞음시간(Coherence Time, 빛이 두 경로를 통과하는 시간 차이가 커지면 간섭현상이 점차 사라지는데 간섭현상이 유지되는 시간 차이)이 측정의 정밀도에 영향을 미친다.

이에 연구팀은 거시세계에서 알려진 빛의 특성과 미시세계의 광자의 움직임은 다를 것이라는 가정에서 광자의 결맞음시간 연구를 시작했다.

연구팀은 관측조건에 따라 광자의 결맞음시간이 다양함을 실험적으로 밝혀냈으며, 기존 정밀측정기기에 쓰이는 빛의 결맞음 시간보다 더 짧은 결맞음시간이 존재함을 알아냈다.

이전에는 태양광이나 형광등, 레이저와 같은 빛의 결맞음시간은 관측조건과 무관하게 한 가지 값을 갖는다고 알려져 있었다.

결맞음시간과 광학기기의 분해능은 반비례 관계에 있어, 이번에 알아낸 가장 짧은 결맞음시간을 갖는 조건은 광학측정기기 해상도 향상을 위한 원리로 응용될 것으로 기대된다.

빛의 간섭현상을 이용해 물체의 두께를 측정하는 경우, 물체의 양쪽 표면에서 각각 발생하는 간섭신호를 서로 구분해야 하는데 결맞음시간이 긴 경우 각각 표면에서의 간섭신호가 겹쳐 구분이 어렵다. 반면 결맞음시간이 짧으면 각각의 신호가 겹치지 않아 구분이 쉽기 때문에 보다 정밀한 측정이 가능하다는 설명이다.

김윤호 교수는“광자들이 보이는 결맞음시간의 다양성을 관측함으로써 광자의 양자역학적 특성을 규명했을 뿐만 아니라 양자측정기기 개발을 위한 필수적인 핵심원리를 제시한 것”이라고 밝혔다.