양자센싱(Quantum Sensing) 응용분야

국방 분야: 잠수함·스텔스 탐지 및 GPS 없는 항법

양자 센싱은 군사/국방 분야에서 혁신적인 탐지 및 항법 수단으로 주목받고 있다. 잠수함 탐지의 경우, 양자 자기센서의 극초고감도 특성을 활용하면 바다 속 잠수함이 야기하는 미세한 자기 이상을 포착할 수 있다scmp.com. 예컨대 중국은 드론에 탑재한 양자 자력계를 해상 시험하여 피코테슬라(pT) 수준의 민감도로 해저 자기장 변화를 측정, 저위도 지역에서 기존 자기센서의 “블라인드 존” 문제를 극복하는 데 성공했다고 발표했다scmp.comscmp.com. 이를 통해 잠수함의 위치는 물론 그가 지나며 남긴 미약한 항적까지 탐지할 수 있었는데, 이러한 성과는 미·중 간 수중전 우위 경쟁에서 첨단 기술격차를 벌일 수 있는 잠재 력으로 평가된다. 기존의 광펌프 자기계(OPM)가 지구 자기장의 방향에 따라 탐지 민감도가 떨어지는 한계를 양자 기술로 보완한 사례로, 향후 **대잠수함전(ASW)**에 혁신을 가져올 가능성이 있다scmp.comscmp.com. 또한 기존 자기 탐지기는 유효 탐지거리가 수 km 내외로 제한되었으나, 양자 자기센서는 감도를 수십~수백 배 높여 탐지 범위를 대폭 확장할 수 있을 것으로 기대된다europeanleadershipnetwork.org.

스텔스기 탐지에도 양자 센싱이 적용될 전망이다. 레이더 흡수재로 덮인 스텔스 항공기는 기존 레이더파 반사를 최소화하지만, 양자 레이더는 얽힘 광자쌍이나 양자 광원으로 목표를 비추어 약한 반향 신호까지 잡아낼 수 있다고 여겨진다. 양자 레이더 또는 양자 조명(quantum illumination) 기술을 이용하면 기존 레이더로는 탐지하기 어려운 스텔스기나 극미세 드론까지 포착할 수 있으며, 또한 송신 신호를 양자 얽힘 상태로 내보내기 때문에 적이 역추적하기 어려운 저피탐/저발각 레이더로 활용 가능하다azoquantum.com. 중국 등 일부 국가에서는 이미 수년 전부터 “스텔스기 탐지용 양자 레이더 시제품이 100km 탐지에 성공했다”는 주장insidequantumtechnology.cominsidequantumtechnology.com을 제기하기도 했으나, 이러한 장비의 실제 구현 가능성에 대해 서방 전문가들의 회의적인 시각도 있다insidequantumtechnology.cominsidequantumtechnology.com. 그럼에도 불구하고 미세한 신호 탐지와 교란 저항성 측면에서 양자 레이더는 미래 레이더 기술의 유망 분야로 손꼽히며, 각국 국방 연구기관에서 이론 및 실험 연구가 지속되고 있다azoquantum.com.

나아가 GPS 없는 항법에도 양자 센싱이 핵심 역할을 할 전망이다. 잠수함이나 전투기처럼 GPS 신호 수신이 어려운 환경에서는 양자 자이로스코프와 양자 가속도계를 활용한 **관성항법 장치(INS)**가 유용하다. 양자 자이로스코프는 냉각된 원자들의 간섭효과로 회전 속도를 측정하여, 기존 레이저 자이로보다 장기 안정성과 정확도가 뛰어나다nist.govnist.gov. 예를 들어, 원자 간섭형 자이로는 지구 자전으로 인한 Sagnac 효과까지 감지할 정도로 민감하며, 오차 누적 없이 장기간 항법 정보를 제공할 수 있다. 이는 GPS 재밍이나 스푸핑으로 인한 교란 상황에서도 자체적으로 정확한 위치와 방향을 유지하게 해주므로, 차세대 군용 잠수함·함정, 항공기의 필수 기술로 부상하고 있다defensescoop.comdefensescoop.com. 실제로 미국 DARPA 등에서는 GPS에 의존하지 않고도 이동 플랫폼의 위치/자세를 파악할 수 있는 양자 관성센서를 개발하기 위해 적극 투자 중이다defensescoop.comdefensescoop.com.

자기장 정밀 측정: 의료 및 과학 분야

양자 센싱 기술은 생체 및 지구과학 분야에서 고감도 자기장 측정을 가능케 하여 새로운 응용을 열고 있다. 대표적으로 의료 분야에서는 뇌 기능을 측정하는 뇌자도(MEG) 장비에 양자 자기센서를 도입함으로써, 기존의 초전도 양자간섭계(SQUID)에 기반한 MEG 대비 더욱 선명한 신호 포착과 운용 편의성 향상을 기대한다azoquantum.com. SQUID 기반 MEG는 액체 헬륨 냉각이 필요하고 센서를 두피에 밀착시켜야 하지만, 새로운 다이아몬드 NV 센터 기반 양자 자기센서나 **광펌핑 루비듐 자기계(OPM)**는 실온에서 동작하면서도 수 피코테슬라 수준의 극미약 자기신호까지 잡아낼 수 있다. 실제로 한국표준과학연구원(KRISS)은 2022년 상온 환경에서 자기장과 온도 변화를 동시에 감지할 수 있는 다이아몬드 양자센서를 개발하여, 복잡한 차폐 없이도 정밀 측정이 가능함을 보였다kriss.re.kr. 이런 센서를 뇌자도에 활용하면 뇌 신호 탐지 성능이 향상되고, 헬멧형 등 보다 자유로운 MEG 센서 어레이 구현이 가능해진다.

의료 영상 진단에서도 양자 증강 MRI가 주목된다. 양자 센싱 기법을 MRI에 접목하면 신호 대 잡음비(SNR)를 높여 해상도를 높일 수 있고, 양자 엔한스(NMR 양자센서 등)를 통해 암 등 질병의 조기 진단에 유리한 미세 조직 변화를 포착할 수 있을 것으로 기대된다azoquantum.com. 예를 들어, 양자 얽힘된 센서 배열을 이용하면 기존 MRI로는 구분 어려운 미약한 신호도 증폭하여 이미지화할 수 있다는 연구가 진행 중이다. 이 외에도 양자센서는 생체 자기신호 (심장, 근육의 미세 자기장)를 비침습적으로 감지하는 센서, 바이오 이미징(세포 수준 자성 나노탐침) 등에도 응용 가능하다kist.re.kr.

지구과학 및 환경 분야에서도 양자 센싱은 혁신을 일으키고 있다. 양자 자기센서는 고고고학에서 미세한 지층의 자기이상을 찾아 유적을 발굴하거나, 지구 물리 탐사에서 광물 자원을 탐지하는 데 쓰인다azoquantum.com. 또한 양자 중력계(양자 중력 가속도계)는 지하 구조 탐사나 지진/화산 모니터링에 활용된다. 예를 들어, 초정밀 양자 중력 그래디미터를 사용하면 지하 공동이나 지하수층에 의한 미세 중력 변화까지 감지할 수 있어, 지하 매설물 탐지나 지반 구조 분석에 활용된다laserfocusworld.comlaserfocusworld.com. 2022년 영국 버밍엄대 연구팀은 세계 최초로 야외에서 양자 중력 그래디미터로 지하 터널을 탐지하는 데 성공하여 큰 주목을 받았다laserfocusworld.comlaserfocusworld.com. 이 장치는 떨어지는 두 개의 냉각 원자 구름의 중력 간섭 패턴 차이를 측정하여 지하 2미터 깊이에 있는 폭 2미터의 터널을 식별해낸 것으로, 기존 중력계의 한계를 넘어선 쾌거였다. 이러한 기술은 향후 지하 자원 탐사, 지하 시설 맵핑, 지진 단층 탐지 등 환경/지구과학 조사에 혁신을 가져올 것으로 기대된다azoquantum.com.

자율주행 및 기타 산업 분야

산업 전반에서도 양자센싱의 활용이 확대되고 있다. 자율주행 차량의 경우, 양자 센서는 보다 정확한 내비게이션과 주변 환경 인지를 지원할 수 있다. 예를 들어 자동차 제조사들은 양자 자이로와 가속도 센서를 차량에 적용하여 GPS 신호가 불안정한 도심이나 지하에서도 정밀한 위치 파악과 안정적인 주행을 실현하는 연구를 진행 중이다azoquantum.com. 또한 양자센서 기반의 라이더(LiDAR)나 카메라는 포토닉스 소자를 활용해 저조도 환경이나 악천후에서도 장애물을 감지하는 성능을 높일 수 있다. 양자 특성상 낮은 광자 수로도 신뢰성 있는 검출이 가능하므로, 궁극적으로 자율주행차의 센싱 신뢰도를 향상시킬 것으로 전망된다.

이 밖에도 제약·화학 산업에서는 양자 센서를 신약 개발이나 공정 모니터링에 응용하려 한다. 양자센서의 분자 수준 감도로 단백질-약물 결합이나 화학 반응을 실시간 분석함으로써 신약 후보 물질 발굴을 가속화하고, 위험한 화학 공정의 미세 변화를 조기에 감지해 안전한 생산을 도모할 수 있다azoquantum.com. 정밀 제조 분야에서도 초정밀 양자 측정 기술이 부품의 나노결함 검출, 반도체 회로 검증 등에 활용되어 품질을 높이고 불량을 줄이는 데 기여하고 있다. 요약하면, 양자 센싱은 국방과 의료를 넘어 환경 모니터링, 우주 탐사(예: 중력파 검출, 우주선 내 항법)azoquantum.com 등 다방면에서 활용 잠재력이 크며, 향후 다양한 산업 영역에서 게임체인저 기술로 자리매김할 것으로 보인다.