지스트(광주과학기술원·총장 김기선) 전기전자컴퓨터공학부 함병승 교수(지스트 광양자정보처리센터장)가 최근 결맞음 드브로이파(CBW)를 사냑 자이로스코프에 적용한 퀀텀자이로스코프 이론을 발표했다.

자이로스코프(gyroscope)는 물체의 운동 방향과 기울기 등을 측정할 수 있는 기구다. 측정한 운동방향·기울기를 전기 신호로 바꿔주는 경우 자이로센서로 불린다. 실생활에서는 스마트폰이나 드론 등에 적용돼 상하좌우로 움직이거나 기울여지는 것을 감지하는 데 쓰인다. 자이로스코프 중 대표적인 것은 광섬유 자이로스코프다. 회전 방향에 따라 레이저 빛의 간섭 무늬가 달라지는 ‘사냑 효과’를 이용해 사냑 자이로스코프라고도 불린다.

함병승 교수는 기존 사냑 자이로스코프보다 4배 이상 정밀한 해상도를 가진 퀀텀 사냑 자이로스코프를 동일조건에서 구현할 수 있는 원리를 제안했다.

기존 사냑 자이로스코프는 수백㎡ 크기의 링 레이저 센서 장치로 구성돼 있다. 미세한 크기의 빛 입자인 단일 광자쌍(photon pairs)을 감지하는 양자센싱 기술을 기반으로 한다.

반면 퀀텀 자이로스코프는 기존 장치와 동일한 구조를 갖고 있으나, 빛 입자가 아닌 파동성을 감지한다. 이는 마하젠더 간섭계를 바탕으로 한다. 마하젠더 간섭계는 하나의 빛을 2개 길로 나누고, 한쪽 길에 투명한 매질을 놓아 만든다. 두 빛은 서로 간섭하면서 간섭무늬를 만드는데, 이 무늬를 측정해 매질의 두께와 굴절률 등을 알 수 있다.

함 교수는 지난해 8월 양자센싱에서 활용되는 물질의 파동(드브로이파)을 한 차원 발전시킨 결맞음 드브로이파를 만드는 원리를 발견했다. 결맞음은 두 파동이 서로 같은 파장을 가지고 있는 상황으로, 파장이 같아 진폭을 키우기도 줄이기도 쉽다. 빛에서 파장은 색깔, 진폭은 빛의 밝기를 뜻하며 결맞음으로 같은 파장의 빛을 모으는 경우 ‘레이저’처럼 하나의 색을 띠며 강한 빛을 낸다.

함 교수는 결맞음 드브로이파를 이용해 마하젠더 간섭계를 만들었고, 빛의 세기와 무관하게 양자센싱을 확보할 수 있는 기술을 만들었다. 이 기술은 CBW(Coherent de Brogli Waves·결맞음 드브로이파) 양자센서라고 이름지어졌다.

퀀텀 자이로스코프는 무인비행, 유도무기, 잠수함, 우주선 등이 관성을 이용해 순항하는 경우나 지구과학 측지학(geodesy) 등에서 활용될 수 있다.

함병승 교수는 “기존 양자센싱에 있어서는 다중포톤 얽힘쌍 확보가 미해결로 남아있어 양자센서 적용이 어려웠고, CBW 양자센서에 있어서는 간섭계의 왕복경로 채택으로 라이다(Lidar)와 같이 빛반사에 기초한 단방향 적용이 어려웠다”며, “양방향 회전을 기본으로 하는 자이로스코프에 있어서는 왕복경로 간섭계가 자동적으로 구성되기에 손쉽게 적용할 수 있었다”고 설명했다.

이번 연구는 지스트 GRI/GTI 연구개발사업 및 과학기술정보통신부 ITRC 양자인터넷 사업의 지원을 받아 수행됐다. 사이언스 자매지인 ‘Advanced Devices & Instrumentation’에 3일자로 온라인 게재됐다.

/유연재 기자 yjyou@kwangju.co.kr