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일반적으로 레이더가 매우 낮은 신호 전력으로 작동하는 경우(예 : 보안 스캐너 또는 생의학 이미징)시스템은 물체로부터 반사된 약한 방사선과 배경 방사선 노이즈를 구별하는 것이 어렵다.
양자 레이더는 절대 영도 위 수천 분의 1도에서 생성된 양자 얽힘을 사용해 실온에서 반사율이 매우 낮은 물체를 감지. 실온에서 반사율이 매우 낮은 물체를 탐색 가능.

연구원들은 양자 레이더를 개발, 시제품 성공적 테스트 마쳐
 

뒤얽힌 광자가 앞으로 레이더 측정을 크게 개선 할 수 있다.
결합된 신호로 소음이 많은 주변 환경에서 약한 반사 물체도 볼 수 있으며 최소한의 레이더 성능만으로도 가능하다. 연구원들은 이 소위 양자 조명의 첫 프로토타입을 개발하고 테스트를 성공적으로 마쳤다. 보안 스캐너뿐만 아니라 생체 의학 이미징에서도 응용할 수 있다.

▲ 양자 레이더의 프로토 타입-얽힌 마이크로파 광자로 레이더 측정이 가능하다. © IST Austria / Philip Krantz

공간을 모니터링하는 경우, 얼음과 토양을 밝히거나 폭풍을 탐지하는 경우에 레이더 기술은 반사된 마이크로파를 사용해 보이지 않는 물체와 구조물을 볼 수 있다.
그러나, 이러한 형태의 마이크로파 위치 측정은 지금까지 너무 부정확하고 실패한 영역이 있다.
일반적으로 레이더가 매우 낮은 신호 전력으로 작동하는 경우(예 : 보안 스캐너 또는 생의학 이미징)에 해당된다. 이러한 시스템은 물체로부터 반사된 약한 방사선과 배경 방사선 노이즈를 구별하는 데 어려움이 있었다.

신호 발생기로서 얽힌 광자

IST(Institute of Science and Technology Austria)의 샤비르 바르자네(Shabir Barzanjeh)와 동료들이 현재 시연하고 있는 것처럼 새로운 형태의 양자 기반 레이더가 도움이 될 수 있다. 그들은 노이즈가 심한 환경에서도 얽힌 마이크로파 광자가 레이더의 "시력"을 크게 증가시키는새로운 유형의 탐지 기술을 개발했다.

연구원들은 “양자 조명을 사용해 강한 열 노이즈에도 불구하고 반사 물체를 인식하는 것이 목표다. 이것은 눈에 띄지 않는 비침습적인 방식으로 얽힌 광자로 대상을 스캔함으로써 달성된다."

특히, 이 레이더는 처음에 얽힌 광자 쌍을 만든다. 이들 쌍 각각의 하나의 광자는 검출될 물체의 방향으로 신호로서 전송되고, 파트너 광자(소위 "idler")는 제어 장치로서 기기에 남아있다. 신호 광자가 이제 물체에 의해 반사되고 레이더에 의해 다시 캡처되면, 그 얽힘이 손실된다. 그럼에도 불구하고, 반사된 광자를 배경 노이즈와 쉽게 구별할 수 있도록 하는 일부 상관 관계가 남아있다.

프로토 타입 작품

첫 번째 테스트를 위해 연구원들은 이러한 양자 레이더의 프로토타입을 제작했다.
극도로 냉각된 초전도 회로는 얽힌 마이크로파 광자의 소스역할을 한다.
양자 레이더는 신호 광자를 작은 구리판 형태의 타겟으로 향하게 하고, 광자는 실온에서 반사되고 디지털 수신기에 의해 다시 잡힌다.

연구원들은 “신호와 아이들러(Idler)는 두 개의 서로 다른 측정 라인을 통해 전송되어 증폭, 필터링 및 중간 주파수 20MHz로 변환된다”고 보고했다. 연구진은 “절대 영도 위 수천 분의 1도에서 생성된 양자 얽힘을 사용해 실온에서 반사율이 매우 낮은 물체를 감지할 수 있었다”고 밝혔다.

"개념 증명"

이 양자 레이더는 아직 ‘개념 증명’일 뿐이며 이 기술이 기본적으로 작동 할 수 있다는 실질적인 증거다. 연구원들은 광자를 얽는 데 많은 노력이 필요하지만 양자 조명으로 탐지하는 방법은 특정 응용 분야에서 몇 가지 근본적인 장점을 갖는 검출 방법으로 보고 있다.
예를 들어, 이 새로운 기술은 저에너지 바이오 메디컬 이미징 및 보안 스캐너에 사용될 수 있다.

Barzanjeh는 “고전적 코히런트 검출기와 비교할 때 양자 강화된 검출이 동일한 조건과 매우 낮은 신호 강도에서 더 우수할 수 있다"고 말한다. “우리 연구의 중심 메시지는 양자 레이더와 마이크로파 양자 조명이 이론상으로 존재할 뿐 아니라 실제로도 가능하다는 것이다.”
다음 단계는 양자 레이더의 상용화를 위해 준비하는 것이다.

(Science Advances, 2020; doi: 10.1126/sciadv.abb0451)
출처: Institute of Science and Technology Austria
오스트리아 과학 기술 연구소

[더사이언스플러스=문광주]

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