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KRISS, ‘양자 얽힘 현상’ 이용해 신개념 양자 센서 개발한국표준과학연구원(KRISS, 원장 이호성)이 양자 얽힘 현상을 이용해 적외선 영역의 변화를 가시광에서 측정할 수 있는 신개념 양자 센서를 개발했다. 그간 고품질 결과물을 얻기 어려웠던 적외선 광측정을 저비용·고성능으로 할 수 있게 됐다. 이번 성과는 센서의 측정시간을 단축할 뿐만 아니라 분해능을 높여, 기존 광학 센서의 측정 한계를 돌파했다고 평가받고 있다. 빛의 최소단위인 광자 입자 둘 이상이 양자 얽힘 현상으로 연결되면 거리와 관계없이 서로 연관된 양자 상태를 갖는다. 이번에 개발한 비검출광자(undetected photon) 양자센서는 이 양자 얽힘 현상을 만드는 두 개의 광원을 이용하는 원격 측정 센서다. 비검출광자란 측정대상에 도달했다가 돌아오는 광자를 말한다. 비검출광자 양자센서는 이 광자를 직접 측정하는 대신, 양자 얽힘에 의해 이와 한 쌍으로 얽혀 있는 다른 하나의 광자를 측정해 대상에 대한 정보를 파악한다. 비검출광자를 이용한 양자센서는 최근 10여 년 사이 실현되기 시작한 초기 단계의 기술로, 아직 성숙도가 낮아 세계적으로 활발한 기술 개발 경쟁이 이루어지고 있다. 이번에 KRISS가 개발한 비검출광자 양자센서의 차별점은 광측정장치의 핵심 요소인 광검출기와 간섭계다. 광검출기(photodetector)는 빛을 전기 신호로 변환해 출력하는 장치다. 기존 고성능 광검출기들의 활용 범위는 대체로 가시광 영역에 국한됐다. 적외선 영역의 파장은 다양한 분야의 측정에 유용하지만 사용할 수 있는 검출기가 없거나 성능이 크게 떨어졌다. 이번 성과는 가시광 검출기를 이용해 적외선 대역에서 빛의 상태를 측정하는 방식으로, 고비용·고전력소모 장비 없이도 효율적인 측정이 가능하다. 3차원 구조물의 비파괴 측정, 바이오 측정, 가스 조성 분석 등에 폭넓게 쓰일 수 있다. 정밀 광측정의 또다른 기본 요소인 간섭계는 여러 개의 경로로 갈라진 빛을 합치면서 신호를 얻는 장치다. 기존의 비검출광자 양자센서는 빛의 경로가 단순한 마이켈슨 간섭계를 주로 사용해 측정할 수 있는 대상에 한계가 있었다. KRISS가 개발한 센서는 측정대상에 따라 빛의 경로를 유연하게 바꿀 수 있는 복합 간섭계를 채택해 확장성이 대폭 향상됐다. 측정대상의 크기나 모양에 맞춰 센서를 변형할 수 있기 때문에 다양한 환경에 적용하기 유리하다. KRISS 양자광학그룹은 양자센서의 핵심 성능지표를 결정짓는 요소에 대한 이론적 분석을 제시하고 복합 간섭계를 이용해 이를 실험적으로 증명해냈다. 연구진은 적외선 대역의 빛을 3차원 구조의 측정 샘플에 반사시킨 후 양자 얽힘으로 연결된 가시광 대역의 광자를 측정해 샘플의 깊이와 너비를 포함한 이미지를 얻어냈다. 3차원 적외선 이미지를 가시광 측정으로 재구성하는 데 성공했다. KAIST 물리학과와 협력으로 진행된 이번 연구는 국제학술지 ‘퀀텀 사이언스 앤 테크놀로지’ 2024년 1월호에 게재됐다.
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표준연, 양자 얽힘 이용한 광학 측정 신개념 양자 센서 개발비검출광자 양자센서로 적외선 대역에서 고성능·저출력 정밀 광측정에 성공했다. 이에 3차원 구조 비파괴측정, 바이오 측정, 가스 조성 분석 등 활용이 기대된다. 한국표준과학연구원(KRISS)이 양자 얽힘 현상을 이용해 적외선 영역의 변화를 가시광에서 측정할 수 있는 신개념 양자 센서를 개발했다고 25일 밝혔다. 그간 고품질 결과물을 얻기 어려웠던 적외선 광측정을 저비용·고성능으로 할 수 있게 됐다. 빛의 최소단위인 광자 입자 둘 이상이 양자 얽힘 현상으로 연결되면 거리와 관계없이 서로 연관된 양자 상태를 갖는다. 이번에 개발한 비검출광자(undetected photon) 양자센서는 이 양자 얽힘 현상을 만드는 두 개의 광원을 이용하는 원격 측정 센서다. 비검출광자란 측정대상에 도달했다가 돌아오는 광자를 말한다. 비검출광자 양자센서는 이 광자를 직접 측정하는 대신, 양자 얽힘에 의해 이와 한 쌍으로 얽혀 있는 다른 하나의 광자를 측정해 대상에 대한 정보를 파악한다. 비검출광자를 이용한 양자센서는 최근 10여 년 사이 실현되기 시작한 초기 단계의 기술로, 아직 성숙도가 낮아 세계적으로 활발한 기술 개발 경쟁이 이루어지고 있다. 이번에 KRISS가 개발한 비검출광자 양자센서의 차별점은 광측정장치의 핵심 요소인 광검출기와 간섭계다. 광검출기(photodetector)는 빛을 전기 신호로 변환해 출력하는 장치다. 기존 고성능 광검출기들의 활용 범위는 대체로 가시광 영역에 국한됐다. 적외선 영역의 파장은 다양한 분야의 측정에 유용하지만 사용할 수 있는 검출기가 없거나 성능이 크게 떨어졌다. 이번 성과는 가시광 검출기를 이용해 적외선 대역에서 빛의 상태를 측정하는 방식으로, 고비용·고전력소모 장비 없이도 효율적인 측정이 가능하다. 3차원 구조물의 비파괴 측정, 바이오 측정, 가스 조성 분석 등에 폭넓게 쓰일 수 있다. 정밀 광측정의 또다른 기본 요소인 간섭계는 여러 개의 경로로 갈라진 빛을 합치면서 신호를 얻는 장치다. 기존의 비검출광자 양자센서는 빛의 경로가 단순한 마이켈슨 간섭계를 주로 사용해 측정할 수 있는 대상에 한계가 있었다. KRISS가 개발한 센서는 측정대상에 따라 빛의 경로를 유연하게 바꿀 수 있는 복합 간섭계를 채택해 확장성이 대폭 향상됐다. 측정대상의 크기나 모양에 맞춰 센서를 변형할 수 있기 때문에 다양한 환경에 적용하기 유리하다. KRISS 양자광학그룹은 양자센서의 핵심 성능지표를 결정짓는 요소에 대한 이론적 분석을 제시하고 복합 간섭계를 이용해 이를 실험적으로 증명해냈다. 연구진은 적외선 대역의 빛을 3차원 구조의 측정 샘플에 반사시킨 후 양자 얽힘으로 연결된 가시광 대역의 광자를 측정해 샘플의 깊이와 너비를 포함한 이미지를 얻어냈다. 3차원 적외선 이미지를 가시광 측정으로 재구성하는 데 성공한 것이다. 박희수 KRISS 양자광학그룹장은 “이번 성과는 양자광학 원리를 이용해 기존 광학 센서의 측정 한계를 돌파한 사례”라며 “센서의 측정시간을 단축하고 분해능을 높여 실용화를 위한 후속 연구를 이어갈 것”이라고 밝혔다. KRISS가 주도해 KAIST 물리학과의 협력으로 진행된 이번 연구는 KRISS 기본사업과 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업, 과학기술정보통신부 양자정보과학 연구개발생태계 조성사업의 지원을 받았다. 해당 성과는 국제학술지 ‘퀀텀 사이언스 앤 테크놀로지(Quantum Science and Technology, IF: 6.70)’ 2024년 1월호에 게재됐다.
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ETRI, 빛을 이용한 초고속 광입출력 반도체 개발국내 연구진이 반도체를 기존 전기적 신호가 아닌, 빛으로 연결하는 광반도체(실리콘 포토닉스) 핵심 기술을 개발했다. 4차 산업혁명의 시대, 폭증하는 데이터 트래픽을 수용하고, 광통신 시대를 선도하는 데 큰 도움이 될 전망이다. 한국전자통신연구원(ETRI)이 차세대 데이터센터, 고성능 컴퓨팅 네트워크에서 1초에 100기가(100Gbps)의 데이터를 전송할 수 있는 실리콘 포토닉스 광반도체 칩과 관련 모듈을 개발했다고 밝혔다. 그동안 활용했던 초고속 광통신 모듈의 경우, 여러 개별 광소자들을 조립·패키징하는 방식으로 제작하여, 채널이 증가할수록 비용이 증가하고 전송용량 증대와 장비 소형화에 어려움이 있었다. 또한, 전기신호로 데이터를 입·출력할 경우, 대역폭 한계와 과도한 소모전력으로 채널당 50Gbps 수준, 전송 거리 수십 cm 정도의 한계가 있었다. 하지만, ETRI 연구진이 개발한 광반도체 기술을 활용하면 저비용으로도 전송용량과 거리를 획기적으로 높일 수 있다. 연구진이 개발한 실리콘 광 송신 칩은 2.9x7.3mm, 광 수신 칩은 2.9x3.4mm의 크기로, 기존의 개별 광소자 조립 방식 대비 20% 수준으로 소형화가 가능하다. 이러한 소형화를 통해 여러 광소자를 하나의 칩으로 집적, 데이터센터, 고성능 컴퓨팅, AI 네트워크에서 데이터가 증가함에 따라 발생하는 전자 반도체 칩의 통신 입·출력 성능 확장 문제를 해결할 수 있다. 반도체의 성능도 획기적으로 개선했다. 연구진의 광반도체 칩을 이용할 경우, 채널당 100Gbps의 속도로 2km까지 전송할 수 있다. 기존 전자 반도체 칩 전송속도의 2배 수준이다. ETRI는 저전압으로 채널당 100Gbps 속도로 데이터 전송이 가능한 세계 최고 수준의 실리콘 광변조기와 전계 강도를 높여 고속 동작이 가능한 독창적 구조의 광검출기, 초고속 신호처리 및 신호 무결성 회로 설계 기술을 통해 이번 성과를 낼 수 있었다고 밝혔다. 연구진은 이번에 개발한 광반도체 핵심기술을 활용, ㈜오이솔루션과 함께 데이터센터에서 2km 전송이 가능한 100Gbps 광트랜시버 모듈을 공동으로 개발했다. 또한, 4개 채널을 연계해 400Gbps급 성능을 내는 광인터커넥션 모듈도 함께 개발해 활용성을 검증했다. 이번 성과는 그 연구 우수성을 인정받아 광통신 분야 최고 권위지인 옵팁스 익스프레스(Optics Express)에 5편의 논문이 게재되었으며, 국내외 특허 출원 35여 건, 기술이전 3건 등 광반도체 관련 연구를 주도하고 있다. ETRI 김선미 네트워크연구본부장은 “본 기술은 초고속 대용량 광연결을 이루는 핵심 기술이다. 클라우드, 인공지능 및 초실감 미디어 서비스 등에 필요한 광 기술을 선도적으로 개발해 향후 테라비트 속도의 빛으로 연결되는 시대의 주역이 되겠다”라고 말했다. ㈜오이솔루션의 이원기 부사장은 “데이터센터는 초고속 고집적 광통신 기술이 필요하고 기술적 장벽이 높아 국내기업이 진출하기 어려운 시장이다. 본 기술개발을 통해, 가장 큰 광통신 시장인 글로벌 데이터센터 시장에 진출하기 위한 실리콘 포토닉스 원천기술을 확보하게 되었다.”고 밝혔다. 연구진은 향후, 광반도체 칩의 채널당 속도를 200Gbps, 전송용량도 1.6Tbps까지 향상시키는 한편 소모전력은 기존의 절반 이하, 크기는 약 1/9 이상으로 줄이기 위한 후속 연구를 추진할 예정이다. 본 기술은 과학기술정보통신부 “광 클라우드 네트워킹 핵심기술 개발”의 일환으로 개발되었다.