양자 얽힘을 GPS로 활용해 신호가 없는 지역에서도 정밀한 측위가 가능하다.

양자 얽힘은 입자 사이에 발생하는 특수한 결합 현상을 말합니다. 얽힌 상태에서는 각 입자의 특성을 개별적으로 설명할 수 없고 전체 시스템의 특성만 설명할 수 있습니다. 이러한 영향은 입자가 우주 전체에 걸쳐 떨어져 있어도 거리가 변해도 사라지지 않습니다.

새로운 연구에 따르면 양자 얽힘 메커니즘을 사용하면 센서가 동작을 더 정확하고 빠르게 감지할 수 있는 것으로 나타났습니다. 과학자들은 이번 발견이 GPS에 의존하지 않는 내비게이션 시스템을 개발하는 데 도움이 될 수 있다고 믿습니다.

아리조나 대학과 기타 기관이 "Nature Photonics"에 제출한 새로운 연구에서 연구자들은 간섭에 반응하기 위해 광선을 사용하는 광기계 센서에 대한 실험을 수행했습니다. 이러한 센서는 스마트폰이 동작을 감지하는 데 사용할 수 있는 가속도계 역할을 합니다. 반면, 가속도계는 지하, 수중, 건물 내부, 원격 지역 및 무선 신호가 간섭되는 장소와 같이 GPS 신호가 약한 지역의 관성 항법 시스템에도 사용할 수 있습니다.

논문 "얽힘 강화 광기계 감지":

논문 링크: https://www.nature.com/articles/s41566-023-01178-0

광기계적 감지 성능을 향상시키기 위해 연구자들은 아인슈타인이 "원거리에서의 으스스한 작용"이라고 불렀던 얽힘을 사용하려고 합니다. 얽힌 입자는 아무리 멀리 떨어져 있더라도 본질적으로 동기화되어 있습니다.

연구원들은 향후 2년 이내에 얽힌 가속도계 칩 프로토타입을 갖기를 희망합니다.

양자 얽힘은 거리를 무시하지만 외부 간섭에도 매우 취약합니다. 양자 센서는 이러한 감도를 활용하여 주변 환경의 사소한 교란도 감지하는 데 도움을 줍니다.

"이전에는 양자 강화 광기계 감지에 대한 우리의 연구는 주로 단일 센서의 감도를 향상시키는 데 중점을 두었습니다."라고 투산 애리조나 대학의 양자 물리학자인 이 연구의 수석 저자 Yi Xia가 말했습니다. "그러나 최근의 이론적 및 실험적 연구에 따르면 얽힘은 분산 양자 감지로 알려진 접근 방식인 여러 센서 간의 감도를 크게 향상시킬 수 있는 것으로 나타났습니다.

광기계 센서의 메커니즘은 두 개의 레이저 빔의 동기화에 의존합니다. 빛의 광선은 발진기라는 구성 요소에 의해 반사되며 발진기의 움직임에 따라 빛이 감지기로 이동하는 거리가 변경됩니다. 이동 거리의 이러한 차이는 두 번째 빔이 첫 번째 빔과 겹칠 때 명백해집니다. 센서가 고정되어 있으면 두 광선이 완벽하게 정렬됩니다. 센서가 움직이면 겹치는 광파가 센서 움직임의 크기와 속도를 나타내는 간섭 패턴을 만듭니다.

새로운 연구에서 애리조나 대학교 Dal Wilson 그룹의 센서는 멤브레인을 진동자로 사용하는데, 이는 두드린 후 진동하는 드럼헤드와 매우 유사하게 작동합니다.

여기서 하나의 발진기에 하나의 빔을 비추는 대신 연구원들은 적외선 레이저 빔을 두 개의 얽힌 빔으로 분할하여 두 개의 발진기에서 두 개의 감지기로 반사되었습니다. 이러한 얽힌 빛의 특성으로 인해 두 개의 센서가 단일 광선을 분석하여 함께 작동하여 속도와 정확성을 높일 수 있습니다.

"우리는 얽힘을 사용하여 다중 광기계 센서의 힘 감지 성능을 향상시킬 수 있습니다."라고 앤아버에 있는 미시간 대학교의 양자 물리학자이자 연구의 주요 저자인 Zheshen Zhang이 말했습니다.

또한, 연구진은 장치의 정확도를 높이기 위해 소위 "압축광"을 사용했습니다. 빛을 압착하는 것은 양자 물리학의 핵심 원리인 하이젠베르크의 불확정성 원리를 활용합니다. 입자의 위치가 결정되면 그 운동량이 완전히 불확실해지고, 운동량이 결정되면 그 위치도 전혀 불확실해진다는 것입니다. 압착된 빛은 이러한 절충안을 활용하여 특정 변수(이 경우 레이저 빔을 구성하는 파동의 위상) 측정의 불확실성을 "압축"하거나 줄이는 동시에 다른 변수의 측정에 대한 불확실성을 높입니다. 그러나 연구 인력은 무시될 수 있습니다.

"우리는 압축 광원을 생성할 수 있는 몇 안 되는 팀 중 하나이며 현재 이를 차세대 정밀 측정 기술의 기초로 탐색하고 있습니다."라고 Zheshen Zhang이 말했습니다.

대체로, 과학자들은 얽히지 않은 두 개의 빔을 사용하는 것보다 40% 더 정확하고 60% 더 빠른 측정값을 수집할 수 있었습니다. 또한, 센서 수가 증가함에 따라 이 접근 방식의 정확도와 속도도 높아질 것으로 예상됩니다.

"이러한 발견은 초정밀 힘 감지 성능을 전례 없는 수준으로 더욱 향상시킬 수 있음을 의미합니다."라고 Zheshen Zhang이 말했습니다.

연구원들은 광기계 센서를 개선하면 더 나은 관성 항법 시스템을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 암흑 물질 및 중력파와 같은 신비한 현상을 감지하는 데에도 도움이 될 수 있다고 말합니다. 암흑 물질은 우주의 모든 물질의 6분의 5를 구성하는 것으로 생각되는 보이지 않는 물질이며, 가능한 중력 효과를 감지하면 과학자들이 그 특성을 파악하는 데 도움이 될 수 있습니다. 중력파는 블랙홀에서 빅뱅까지의 미스터리를 밝히는 데 도움이 될 수 있는 시공간 구조의 잔물결입니다.

다음으로 과학자들은 시스템을 소형화할 계획입니다. 너비가 0.5cm에 불과한 칩에 압축 광원을 배치하는 것이 이미 가능합니다. 내년 또는 2년 안에 우리는 압착 광원, 빔 분할기, 도파관 및 관성 센서를 포함하는 프로토타입 칩을 갖게 될 것으로 예상할 수 있습니다. Zheshen Zhang은 "이것은 이 기술을 더욱 실용적이고, 저렴하고, 접근하기 쉽게 만들 것"이라고 말했습니다.

또한 연구팀은 현재 Honeywell, 제트 추진 연구소, NIST 및 기타 여러 대학과 협력하여 칩 규모의 양자 강화 관성 측정 장치를 개발하고 있습니다. Zheshen Zhang은 "우리의 비전은 자율주행차와 우주선에 통합 센서를 배치하여 GPS 신호 없이 정확한 탐색을 달성하는 것입니다.

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