새로운 양자 센서, 보이지 않는 '우주 비밀의 문' 열었다

우주의 보이지 않는 비밀을 밝혀낼 새로운 양자 센서 기술이 개발됐다.

5일(현지시각) 글로벌 과학 기술 전문매체 사이테크데일리(SciTechDaily)에 따르면 영국 임페리얼 칼리지 런던(ICL)이 주도하는 연구진은 미래 양자 검출기의 핵심 이론이 실제 실험 조건에서 완벽히 작동함을 최초로 입증했다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 '네처(Nature)'에 게재됐다.


현대 물리학의 최대 과제는 초기 우주의 중력파나 암흑물질처럼 배경 잡음에 가려진 극히 미약한 신호를 감지하는 것이다. 이를 위해 레이저로 원자 구름을 분리·결합해 미세한 운동 변화를 측정하는 '장거리 기선 원자 간섭계' 기술이 주목받아 왔다.

그러나 실험을 제어하는 레이저 자체가 유발하는 '위상 잡음'이 측정하려는 신호보다 훨씬 커 상용화에 걸림돌이 되어 왔다.
연구팀은 서로 다른 위치에 있는 두 개의 원자 간섭계를 비교해 공통된 잡음을 상쇄하는 '차분 방식'으로 이 문제를 해결했다. 극저온 스트론튬 87 구름 두 개를 이용해 제작한 탁상용 프로토타입 실험에서, 연구팀은 의도적으로 거대한 위상 잡음을 주입했다. 단독 측정 시에는 잡음 때문에 신호가 완전히 사라졌으나, 두 간섭계를 비교·분석하자 양자 물리학의 근본적 한계에 달하는 정밀도로 신호가 다시 살아났다. 인위적으로 추가한 암흑물질·중력파 유사 진동 신호 역시 명확하게 감지해 냈다.


이번 연구는 영국 전역의 연구 기관이 참여하는 '원자 간섭계 관측소 및 네트워크(AION)' 협력의 일환으로 진행됐다.

사이테크데일리에 따르면 임페리얼 칼리지 극저온 스트론튬 연구소의 공동 책임자인 찰스 베인햄 박사는 "필요한 해상도를 갖춘 양자 센서 제작이 마침내 현실화됐다"라며 "원자 신호를 통해 수백만 년 전 병합된 블랙홀의 정보를 얻을 날을 기대한다"라고 전했다.

함께 연구를 이끈 리처드 홉슨 박사 역시 "원자 시계와 원자 간섭계를 활용해 우주의 보이지 않는 부분을 들여다볼 새 창을 열었다"라며 '유럽입자물리연구소(CERN)나 페르미랩 등 글로벌 연구소 규모로 확장하면 암흑물질의 본질을 포함한 물리학의 심오한 미스터리를 풀 수 있을 것"이라고 강조했다.
이번 성과는 미국 페르미랩의 'MAGIS' 프로젝트, CERN의 'AICE' 실험 등 대규모 양자 실험 시설 구축을 위한 핵심 기술적 기반이 될 것으로 전망된다. AION 협력단 책임 연구원인 올리버 부흐뮐러 교수는 "미래 대규모 양자 센서 개발에 있어 중요한 이정표를 세웠다"라고 평가했다.


이인수 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com