양자센싱(Quantum Sensing) 현재 기술 수준과 실용화 단계

 

양자 센싱 기술은 일부 분야에서는 이미 상용화에 성공했고, 다른 분야들은 여전히 실험실 단계 또는 프로토타입 개발 단계에 있다. 원자시계는 가장 성숙한 양자센서 기술로, 1950년대 세슘 원자시계가 발명된 이래 실용화되어 현재 GPS 위성의 시간원본, 국가 표준시 등에 폭넓게 활용 중이다azoquantum.com. 세슘 원자시계와 같이 양자 전이 주파수를 계측하는 기술은 이미 상용 제품이 여러 종류 출시되어 있으며, 휴대형 칩스케일 원자시계(CSAC)까지 개발되어 국방 및 통신 분야에서 쓰이고 있다. 미국 국방부는 차세대 원자시계를 전략 자산에 적용하기 위해 신속 구매 프로그램으로 도입을 추진할 만큼(2024년 약 1억 달러 투자) 양자시간기술에 큰 관심을 두고 있다defensescoop.com.

양자 자기센서 분야에서는, 일부 상용화와 함께 많은 기술이 아직 연구/검증 단계에 있다. 오래전부터 사용된 SQUID 자기센서는 양자현상을 이용하지만 극저온 유지가 필수라 주로 연구용으로 활용돼왔다. 최근 등장한 **광펌핑 자기센서(OPM)**는 헤리움 냉각 없이 실온에서 작동하면서도 SQUID에 준하는 잡음 수준을 달성하여, 상용 뇌자도(MEG) 헬멧 등에 채택되기 시작했다. 미국 QuSpin 등의 기업은 이러한 실온 자기센서를 제품화하여 판매 중이며, 국내에서도 KRISS가 다이아몬드 NV 센터 기반 자기·온도 복합 센서를 개발하는 등 연구가 활발하다kriss.re.kr. 한편 **양자 자력계(Magnetometer)**의 궁극적 성능을 보여주는 실험들은 아직 연구실 단계로, 싱글 스핀 NV 센서를 이용해 한 분자의 자기장을 측정하는 수준까지 보고되고 있다. 다만 국방 응용처럼 실사용 환경에서는 차량/함재기 탑재시 진동·잡음으로 성능 열화가 발생하는데, DARPA 등이 RoQS 프로그램을 통해 이동 플랫폼에서도 성능을 유지하는 견고한 양자센서 개발을 추진 중이다defensescoop.comdefensescoop.com. 전반적으로 자기센서는 일부 상용기술(SQUID, OPM 등)이 존재하나, 초고감도 양자센서(엔탄글된 입자빔 등)는 향후 5~10년 내 실용화를 목표로 연구되고 있다.

양자 자이로스코프/가속도계의 경우, 현재 랩 단계에서 프로토타입 수준으로 발전하고 있다. 미국 AOSense와 같은 기업은 원자 간섭계 기반의 양자 관성센서를 개발하여 이미 항공우주 분야 시험에 투입했고, 일부 위성에 원자 간섭계 실험을 진행한 바 있다azoquantum.com. NIST 등 연구기관에서는 데스크탑 규모의 원자 레이저쿨링 자이로를 수 cm 셀에 집적하는 기술을 선보였고nist.govnist.gov, 중국은 2020년대 초 우주 공간에 냉각원자 자이로스코프 실험을 실시하며 높은 정밀도의 회전 센싱을 검증했다는 보고가 있다. 그러나 이러한 양자 자이로/가속도 센서는 여전히 부피가 크고 수십 와트 이상의 전력, 초진공 및 정밀 레이저 시스템을 요하여 소형화 및 견고화가 과제로 남아 있다nist.govnist.gov. 영국과 프랑스 등은 전략 잠수함에 탑재 가능한 양자 INS 개발을 국가 프로젝트로 추진 중이며, 향후 10년 내 군용 시제기 등장 가능성이 점쳐진다.

양자 중력센서는 최근 들어 실용화의 초기 성과가 나타나고 있다. 프랑스 Muquans 사는 **세계 최초의 상용 양자 중력계(AQG)**를 출시하여, 레이저 냉각된 원자를 이용한 중력 가속도 측정을 제품화했다muquans.com. 이 장비는 μGal(마이크로갈, $10^{-8}g$) 수준의 정밀도로 절대 중력을 연속 측정할 수 있으며, 2020년대 초부터 지구과학 연구 및 토목 조사에 활용되고 있다muquans.commuquans.com. 다만 이동 플랫폼에 탑재할 수 있는 중력 그래디미터는 아직 연구 단계로, 2022년 영국에서 휴대형 장치를 야외 테스트한 것이 눈에 띄는 성과다laserfocusworld.com. 영국 Quantum Technology Hub는 이 장치를 이용해 1m 지하의 터널을 찾아냈으나, 측정에는 매우 오랜 시간(수 시간 이상)이 걸리고 장치도 수십 kg 규모였다laserfocusworld.com. 실시간 대면적 중력 지도 작성이나 함정/잠수함 탐지에 쓰이려면 민감도 향상과 측정 속도 개선이 더 필요하며, 진동 노이즈를 실시간 보정하는 기술 개발도 진행 중이다. 이러한 제약들로 양자 중력센서는 실용화 문턱에 막 걸친 단계지만, 지하 공간 탐사, 중력파 검출 등 명확한 수요가 있어 지속적으로 발전하고 있다laserfocusworld.comlaserfocusworld.com.

양자 레이더 및 기타 센서는 개념 검증 단계에 있다. 양자 레이더는 일부 실험실에서 수 m ~ 수 km 범위의 간단한 실험이 보고되었지만, 대형 스텔스기 탐지에 적용할 수준의 시스템은 아직 개발되지 않았다. 이론적으로는 양자 얽힘 광자를 활용해 신호 대 잡음비를 크게 개선할 수 있으나, 실제 환경에서는 대기 감쇄, 얽힘 유지 문제 등 난제가 많다. 중국의 발표(2017년)처럼 양자 레이더로 100km 떨어진 물체를 봤다는 주장은 검증된 바 없고, 전문가들은 기술적 허풍 가능성을 제기한다insidequantumtechnology.cominsidequantumtechnology.com. 그 외에 Rydberg 원자를 이용한 양자 전자기파 센서, 양자 온도센서 등도 연구되고 있지만, 대체로 아직은 실험실 연구 수준이며 상용화까지는 추가 개발이 필요하다.

전체적으로, 양자 센싱 기술의 성숙도는 센서 유형별로 상이하다. 가장 앞서있는 원자시계나 일부 자기센서는 이미 실용화 단계이고, 자이로/가속도계, 중력계 등은 프로토타입 검증 단계, 양자 레이더 등은 개념 실험 단계로 구분된다. 향후 5년 내에는 중규모 양자 센서들이 초기 상용화에 진입하고, 10년 이상 시계열에서는 다양한 분야에 양자센서 적용이 본격화될 전망이다defensescoop.comdefensescoop.com.