표준연, 냉각원자 양자기기용 스트론튬 전이주파수 88년 만에 50배 정밀 재확립

무슨 일이 있었나

KRISS 연구팀이 약 1년의 정밀 측정 캠페인을 통해 스트론튬 461nm 전이주파수 절대값을 650.503815(5) THz로 확정하고, 국제 측정표준 학술지 메트롤로지아(Metrologia)에 2026년 7월 게재했다. 기존에 통용되던 기준값은 1938년 태양 스펙트럼과 스트론튬 아크등을 비교해 얻은 것으로 88년간 사실상 갱신이 없었으며, 불확도 수준이 오늘날 정밀 레이저 제어 요구치에 크게 못 미쳤다. 연구팀은 이번 측정으로 최종 불확도를 약 5 MHz로 낮춰 기존 대비 50배 이상 개선했다. 연구는 방위사업청·국방기술진흥연구소(KRIT)의 초정밀 양자 계측 센서 특화연구실 사업 지원으로 수행됐다.

출처별 강조점과 차이

두 출처 모두 88년간의 측정 공백, 50배 이상의 불확도 개선, 포토닉 격자 칩의 역할을 핵심으로 꼽았다. 다만 강조점에는 차이가 있다. 국내 보도는 연구자가 매번 장비 가동 시 레이저 주파수를 수동으로 탐색해야 했던 기존 방식의 비효율성을 부각하며, 미리 확정된 절대값을 레이저에 직접 입력하는 방식으로의 운용 전환이라는 실용적 의미를 강조했다. 해외 보도는 한국표준시(KST)와 국제단위계(SI) 연계를 통한 소급성(traceability) 확보, 그리고 광주파수 합성 기술과의 접목 가능성을 보다 상세히 다뤘다. 두 보도 모두 공동 개발 기관으로 KRISS·KAIST·나노종합기술원(NNFC)을 명시했다.

기술적 맥락

측정의 핵심 도구는 세 기관이 공동 개발한 포토닉 격자 칩이다. 진공 챔버 내부에 장착되는 이 칩은 표면의 미세 격자 구조로 레이저 빛을 회절·반사해, 단일 칩만으로 다방향 레이저 조사를 구현한다. 기존에는 여러 외부 거울을 각도까지 정밀하게 정렬해야 해 기계적 진동에 의한 오차가 누적됐으나, 칩 방식은 광학계를 대폭 단순화하고 진동 오차를 줄인다.

신뢰도 확보를 위해 연구팀은 원리가 다른 두 독립적 방법을 병행했다. 첫째는 레이저 주파수를 스캔하면서 스트론튬 원자의 흡수·형광 반응이 가장 강하게 나타나는 공명점을 찾는 방식이고, 둘째는 2차원 자기광학 트랩에서 레이저로 감속된 원자빔의 속도 분포로부터 전이주파수를 역산하는 방식이다. 1년에 걸친 캠페인 끝에 두 방법의 결과가 각각의 불확도 범위 내에서 일치했으며, 국제 측정 지침에 따라 각 불확도를 종합해 최종값을 산출했다. 측정값에는 KRISS가 운용하는 국가 시간·주파수 표준을 통해 SI 소급성이 확보돼, 전 세계 어느 연구실에서도 동일한 국제 기준으로 비교할 수 있다.

의미와 전망

스트론튬은 광격자 시계, 양자센서, 중성원자 양자컴퓨터 등에 폭넓게 활용되는 원소다. 이 원자를 냉각·포획하려면 공명 레이저 주파수를 사전에 정확히 알아야 하는데, 이번 절대값은 실험자의 수동 탐색 없이 재현 가능한 설정을 가능하게 한다. 특히 양자기기 소형화·상용화 맥락에서 실용적 의미가 크다. 개발 중인 광주파수 합성 기술과 접목하면, 차세대 냉각원자 기반 양자기기가 부피가 큰 외부 원자 주파수 기준 장치에 의존하지 않고 동작하는 경로가 열린다. 새로 확립된 절대값과 포토닉 격자 칩 기반 광학계는 그 전환을 뒷받침하는 측정 인프라로 기능할 것으로 전망된다.