MIT, 얽힘 활용해 다중 물리량 동시 측정하는 고체 양자센서 구현

기존 고체 양자센서의 한계

양자센서는 얽힘·중첩·스핀 상태와 같은 양자 효과를 활용해 자기장, 전기장, 온도, 중력 등을 고전 센서로는 불가능한 수준의 분해능으로 측정한다. 특히 실온 동작이 가능한 고체 양자센서는 생체 시스템 연구와 물성 분석 분야에서 주목받고 있다. 그러나 지금까지 대부분의 고체 양자센서는 측정 대상을 한 번에 하나의 물리량으로 제한해왔다. 자기장과 온도를 동시에 측정하려 하면 두 신호가 스핀 에너지 공명에 유사한 방식으로 영향을 미쳐 서로 혼재되고, 측정 신뢰도가 낮아지는 문제가 발생한다. 물리량을 순차적으로 측정하면 실험 시간이 늘어나 감도가 떨어지고 오차 누적도 커진다.

NV 센터를 두 개의 큐비트로 활용

연구팀은 5mm² 크기의 다이아몬드에 형성된 NV 센터를 실험 플랫폼으로 삼았다. NV 센터는 다이아몬드 결정 격자에서 탄소 원자가 질소 원자로 치환되고 인접 격자 자리가 비어 있는 결함 구조로, 이 결함이 품고 있는 전자 스핀은 외부 자기장·온도·변형 등에 매우 민감하게 반응하며 광학적으로 판독이 가능하다. 연구팀은 전자 스핀(센서 큐비트)과 질소 핵스핀(보조 큐비트)을 두 개의 독립적인 큐비트로 구성하고, 이 둘을 얽힘 상태로 준비했다. 큐비트 하나는 이진 결과(0 또는 1) 하나만 제공하지만, 얽힌 두 큐비트는 네 가지 가능한 측정 결과를 통해 세 개의 독립 파라미터를 동시에 추출할 수 있다.

벨 상태 측정의 실온 구현

연구팀은 두 큐비트로부터 정보를 동시에 읽어내기 위해 벨 상태 측정(Bell state measurement) 기법을 적용했다. 이 기법은 이전에도 극저온 환경에서 광자를 대상으로 활용된 사례가 있었으나, 실온의 고체 소자에 적용한 것은 이번이 처음이다. 실온 구현을 위한 새로운 측정 기법은 공동 제1저자인 Guoqing Wang 박사가 최초로 제안한 방식을 바탕으로 한다. 이를 통해 연구팀은 마이크로파 자기장의 진폭, 이탈조율(detuning), 위상이라는 세 가지 양을 단일 측정 시퀀스 안에서 동시에 추출하는 데 성공했으며, 순차 측정이나 고전 센서 방식보다 우수한 성능을 확인했다.

응용 가능성과 현재의 한계

연구팀은 이번 기술이 전기장, 온도, 압력, 변형 측정에도 확장 적용될 수 있다고 밝혔다. 공간적으로 불균일한 시료에서 여러 물리량이 위치마다 달리 분포하는 경우, 높은 공간 분해능과 다중 파라미터 동시 측정 능력이 결합된 NV 센서는 응집물질물리 실험 및 생의학 연구에서 상당한 이점을 가질 수 있다. 다만 연구팀 스스로도 현 단계에서는 각 물리량을 개별 최고 정밀도로 측정하는 수준에는 이르지 못했음을 인정했다. 향후 연구 과제로는 각 파라미터의 측정 정밀도 향상과 불균일 물질 시스템에 대한 적용 검증이 남아 있다. 연구에는 Takuya Isogawa, Guoqing Wang, Boning Li가 공동 제1저자로 참여했으며, MIT, 도쿄대학교, 홍콩중문대학교 연구자들이 공동으로 기여했다.