POSTECH, 잡음 1000배 환경에서 다표적 동시 탐지 양자 라이다 개발

기존 라이다의 두 가지 구조적 한계

라이다는 방사한 빛이 물체에 반사돼 돌아오는 신호를 분석해 거리와 위치를 측정하는 기술로, 자율주행·지형 측량·우주 탐사 등 폭넓은 분야에서 사용된다. 그러나 스텔스형 탐지처럼 극도로 약한 광원을 써야 하는 상황에서는 반사 신호가 배경광에 묻혀 표적 식별이 어렵다. 또한 기존 라이다 대부분은 공간을 한 방향씩 순서대로 훑는 방식을 채택하고 있어, 여러 방향의 표적 정보를 동시에 획득하기 어렵다는 구조적 제약이 있었다.

광자쌍의 파장·시간 상관관계 활용

연구팀은 양자 광원에서 자연스럽게 생성되는 광자쌍(photon pair) 특성에 주목했다. 쌍을 이루어 만들어진 두 광자는 생성 시각과 파장이 서로 긴밀하게 연결돼 있다. 이 시간 상관관계를 활용하면 무수한 배경 잡음 광자들 사이에서 실제 표적에서 되돌아온 신호만을 골라낼 수 있다. 나아가 광자들의 무작위적인 파장 분포와 쌍 광자 간 파장 상관관계를 함께 이용하면, 서로 다른 방향에서 들어오는 표적 신호를 단일 측정 안에서 분리해 읽어내는 병렬 탐지 구조를 구현할 수 있다.

실험 검증 결과

연구팀은 실험을 통해 배경 잡음이 표적 신호 대비 1,000배 강한 환경에서, 복수의 표적에 대한 거리와 방향 정보를 측정 한 번으로 동시에 구별해 내는 데 성공했다. 이는 기존 순차 스캔 방식으로는 달성하기 어려운 성능으로, 신호 대 잡음비가 극히 낮은 조건에서 병렬 다표적 탐지가 가능함을 원리적으로 입증한 것이다.

현재 단계와 향후 과제

이번 연구는 원리 검증(proof-of-concept) 단계에 머물러 있다. 연구팀은 광원 효율, 단일 광자 검출 효율, 시스템 집적도 등이 개선되면 양자 계측, 저조도 이미징, 원격탐사 분야로 응용이 확장될 수 있다고 전망했다. 실용화를 위해서는 소자 성능과 시스템 소형화 과제가 남아 있으며, 이 기술이 실제 탐지 시스템에 통합되기까지는 추가 연구가 필요하다.