표준연, 스트론튬 461nm 전이주파수 50배 정밀 측정으로 절대값 재확립

88년 만에 갱신된 기준값

스트론튬의 461nm 전이주파수는 1938년 태양 스펙트럼과 아크광 비교 실험으로 최초 측정된 이후 사실상 갱신 없이 활용돼 왔다. 당시 측정값은 당대 기술 수준에서는 유효했으나, 오늘날 정밀 레이저 기반 양자기기에 적용하기엔 불확도가 지나치게 컸다. 연구자들은 매번 장비를 가동할 때마다 원자의 실시간 반응을 확인하며 주파수를 수동으로 탐색해야 했는데, 이 과정 자체가 정밀 실험의 재현성과 소형화에 걸림돌이었다.

KRISS 연구팀이 1년간 측정을 수행해 도출한 새 절대값은 650.503815(5) THz이며, 불확도는 약 5 MHz다. 이 값은 대한민국 표준시를 구현하는 국가 시간·주파수 표준에서 광주파수까지 계통을 추적해 산출됐고, 해당 표준은 국제단위계(SI)와 연결돼 있어 국제 비교 가능성이 보장된다.

핵심 기술: 포토닉 격자 칩

측정 정밀도 향상의 핵심은 KRISS가 KAIST, 나노종합기술원(NNFC)과 공동 개발한 포토닉 격자 칩이다. 기존 냉각원자 실험에서는 여러 개의 거울과 렌즈를 각도까지 정밀하게 맞춰 다방향에서 레이저를 원자에 조사했다. 광학 부품이 많을수록 진동이나 미세한 정렬 오차가 누적돼 측정값의 신뢰도가 떨어진다.

포토닉 격자 칩은 칩 표면의 미세 격자 구조로 레이저 빛을 회절·반사시켜 하나의 칩만으로 다방향 조사를 구현한다. 외부 거울 수와 정렬 조정 단계가 줄어들면서 기계적 진동에 의한 오차를 낮추고 광학계 전체를 단순화할 수 있다. 이는 대형 실험실 장비를 소형 플랫폼으로 전환하는 데 필요한 설계 방향과도 부합한다.

교차 검증으로 신뢰도 확보

연구팀은 두 가지 독립적인 측정 방법을 병행해 결과의 신뢰도를 높였다. 첫째는 레이저 주파수를 스캔하면서 스트론튬 원자의 흡수 반응이 가장 강하게 나타나는 지점을 찾는 방식이고, 둘째는 레이저로 감속된 원자빔의 속도를 측정한 뒤 전이주파수를 역산하는 방식이다. 원리가 서로 다른 두 방법의 결과가 각각의 불확도 범위 내에서 일치함으로써 최종값의 신뢰성이 뒷받침됐다. 최종 절대주파수 값은 국제 측정 지침에 따라 각 측정값의 불확도를 통합해 산출됐다.

양자기기 상용화를 위한 기준점

이번 연구의 실질적 의의는 단순한 수치 갱신을 넘어 냉각원자 기반 양자기기의 운용 방식 자체를 바꿀 수 있다는 점에 있다. 상용화 단계에서 양자컴퓨터나 양자센서는 전문 연구자가 매번 주파수를 탐색·조정하는 방식이 아니라, 미리 확정된 절대값을 레이저에 직접 입력하는 방식으로 구동돼야 한다. 이번에 확립된 기준값과 포토닉 격자 칩 기반 단순화된 광학계는 그 전환을 가능하게 하는 측정 인프라로 기능할 수 있다.

연구는 방위사업청·국방기술진흥연구소(KRIT)의 초정밀 양자 계측 센서 특화연구실 사업 지원으로 수행됐으며, 측정표준 분야 국제학술지 메트롤로지아(Metrologia)에 2026년 7월 게재됐다.