1. 서 론

양자 계측 및 센싱은 양자역학이 기술하는 전자나 광자 등이 가진 성질(양자적)을 적극적으로 활용하여 외부의 물리량을 고감도, 고정밀도로 계측하는 기술의 총칭이다. 자기장, 전기장, 시간, 가속도 등을 양자 현상으로 감지하여 기존의 계측 기법을 능가하는 정밀도 실현을 목표로 한다. 측정 대상은 양자 그 자체가 아니라 양자 현상을 계측 수단으로 활용되며, 기존 방법으로는 어려웠던 극이소 신호의 검출과 계측 정밀도의 비약적 향상이 기대된다.

양자 계측 및 센슨 기술의 구체적인 특징으로 매우 높은 감도를 꼽을 수 있다. 예를 들어 다이아몬드 NV 센터를 이용한 자기 측정에서는 피코 테슬라 수준의 미약한 자기장이나 단일 분자 수준의 신호 검출이 보고되고 있다. 또 원자 자력계와 일부 광학 양자 계측 기법은 실온에서 작동할 수 있어 극저온 환경이 필요한 기존 양자 계측 장치에 비해 다루기 쉽다. 특정 방식에서는 넓은 동적 범위(측정할 수 있는 신호 강도 범위)를 가지며, 미세 신호부터 비교적 큰 신호까지 단일 측정계로 측정할 수 있는 경우도 있다.

양자 계측, 센슨 환경으로부터의 영향(자기장이나 전기장 등)을 적극적으로 계측 대상으로 삼아 활용한다는 점에서 양자 계산 기술과 대조적이다. 양자 컴퓨터에서는 환경 노이즈가 계산을 방해하므로 극력 배제되지만, 양자 계측 및 센싱에서는 측정 대상에 대응하는 환경에서의 변화 그 자체가 신호가 된다. 따라서 고감도 계측을 수행하기 위해서는 양자 상태가 외부 환경에 민감하지만, 불필요한 외란에는 견고한 설계가 요구된다.

구현 형태는 다양하며, NV 센터나 광섬유를 이용한 양자 광학 계측처럼 비교적 단순한 구성으로 실현할 수 있는 방식도 있는 반면, 광격자 시계처럼 고도의 광학계나 진공 시스템이 있어야 하는 방식도 존재한다. 최근 연구 개발의 진전에 따라 양자 계측 및 센싱은 의료 진단, 지구 과학, 통신, 정밀 측위 등 다양한 분야에서 사회 구현을 위한 움직임이 가속화되고 있으며, 그 중요성이 더욱 높아질 것으로 기대된다.

2. 연구 개발의 현황과 향후 전망

양자 계측 및 센싱에는 다양한 기술이 존재한다. 대표적인 기술을 표 1에 정리했으며, 여기에서는 연구 개발 현황과 전망에 관해 설명한다.

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⇒ 본고는 월간지 ‘計測技術’(일본, 일본공업출판주식회사 발행)
2025년 11월호(특집)를 번역·전재한 것입니다. 본 기사의 무단 전재 및 복사는 저작권법상 금지되어 있습니다. 원문은 당사로 문의 바랍니다