양자센서

Quantum sensor

양자 감지 분야는 많은 기술적 응용에서 어떤 고전적 전략의 성능을 능가할 수 있는 양자 소스(예: 뒤얽힘)와 양자 측정의 설계와 공학을 다룬다. 이것은 광학 시스템이나[1] 솔리드 스테이트 시스템으로 할 수 있다.[2]

양자센싱은 양자 얽힘, 양자 간섭, 양자 상태 조임 등 양자역학의 특성을 활용하는데, 이는 센서 기술의 정밀도를 최적화하고 전류 한계를 뛰어넘어 하이젠베르크의 불확실성 원리를 회피한 것이다.[3]

광자 양자 감지 기능은 얽힘, 단일 광자 및 압착 상태를 활용하여 매우 정밀한 측정을 수행한다. 광학적 감지는 전자기장의 자유도, 고형물의 진동 모드, 보스-아인슈타인 응축물과 같은 연속 가변 양자 시스템을 사용한다.[4] 이러한 양자 시스템은 두 양자 상태 사이의 알 수 없는 변환을 특징짓기 위해 조사될 수 있다. 양자 상관관계의 이용에 의한 약한 신호의 검출의 개선에 이용되어 온 대상의 광자 센서의 양자 조명을 개선하기 위한 몇 가지 방법이 마련되어 있다.[5][6][7][8]

광전자학 및 양자 광학에서 양자 센서는 연속 가변 시스템, 즉 위치 및 모멘텀 쿼드와 같은 연속 자유도로 특징지어지는 양자 시스템을 기반으로 구축되는 경우가 많다. 기본 작동 메커니즘은 일반적으로 광학적 빛의 상태에 의존하며, 종종 압착 또는 2-모드 얽힘과 같은 양자 기계적 특성을 포함한다.[1] 이러한 상태는 간섭계 측정에 의해 감지되는 물리적 변환에 민감하다.[4]

양자 감지 기능은 스핀 퀘비트, 갇힌 이온, 플럭스 퀘빗과 같은 비광학적 영역에서도 활용될 수 있다.[2] 예를 들어, 갇힌 이온은 전기장에 반응하는 반면 스핀 시스템은 자기장에 반응하는 물리적 특성에 의해 비교될 수 있다.[2] 갇힌 이온은 전기장과 강하게 결합되는 정량화된 운동 수준에서 유용하다. 그들은 표면 위의 전기장 소음을 연구할 것을 제안받았고, 최근에는 회전 센서를 연구할 것을 제안했다.[9][10]

고체 물리학에서 양자 센서는 자극에 반응하는 양자 소자다. 일반적으로 이것은 에너지 수준을 정량화한, 양자 일관성을 사용하여 물리적 양을 측정하거나, 고전적 센서로 수행할 수 있는 것 이상으로 측정을 개선하기 위해 얽힘을 사용하는 센서를 가리킨다.[2] 고체 상태의 양자 센서에는 다음과 같은 4가지 기준이 있다.[2]

  1. 시스템은 불연속적이고 분해 가능한 에너지 레벨을 가져야 한다.
  2. 센서를 초기화하면 판독을 할 수 있다(켜서 답을 얻는다).
  3. 센서를 일관성 있게 조작할 수 있다.
  4. 센서는 물리적 양과 상호 작용하며 그 양에 대해 어느 정도 반응한다.

지속적인 연구 및 애플리케이션

양자 센서는 현미경, 위치 확인 시스템, 통신 기술, 전기장 및 자기장 센서뿐만 아니라 광물 전망 및 지진학과 같은 지구물리학적 연구 영역까지 다양한 분야에 응용할 수 있다.[2] 많은 측정기기는 원자시계, 초전도 양자 간섭장치, 핵자기공명 분광기 등의 측정을 탐사하기 위해 양자 특성을 활용한다.[2][11] 새로운 기술 발전으로 개별 양자 시스템을 측정 장치로 사용할 수 있게 되어, 얽힘, 중첩, 간섭, 짜임새를 활용하여 감도를 높이고 고전적 전략의 성능을 능가할 수 있다.

초기 양자센서의 좋은 예는 눈사태 광다이오드(ADP)이다. ADP는 얽힌 광자를 검출하는 데 사용되어 왔다. 추가적인 냉각 및 센서 개선으로 의료 영상과 같은 분야에서 광전자 증배관(PMT)을 사용할 수 있다. 2-D 및 3-D 적층 어레이 형태의 APD는 실리콘 다이오드를 기반으로 하는 기존 센서의 직접 대체용으로 사용할 수 있다.[12]

국방고등연구계획국(DARPA)은 리다르 등 광센서 시스템으로 이러한 목표를 달성하기 위해 양자석판술, NGO 상태 등 양자측량학 및 양자영상으로부터 아이디어를 착취하고자 하는 광양자센서 연구 프로그램을 시작했다.[13][14][15][16] 미국은 양자센싱이 군사용 양자기술 중 가장 성숙하다고 판단하는데, 이론적으로 탐지 범위가 없는 지역에서 GPS를 대체하거나 ISR 기능을 가지고 행동하거나 잠수함이나 지하 구조물이나 차량, 핵물질 등을 탐지할 수 있다.[17]

광학 시스템의 경우, 현재 연구 분야는 피드백과 적응 프로토콜을 고려한다. 이것은 상아손실에 대한 차별과 추정에서 활발한 연구 영역이다.[18]

압착된 빛을 간섭계에 주입하면 고전적으로 감지할 수 없는 약한 신호에 더 높은 민감도를 가질 수 있다.[3] 중력파 감지에서는 양자 감지의 실용적 응용이 실현된다.[19] LIGO와 같은 중력파 검출기는 압착된 빛을 활용해 표준 양자 한계 이하의 신호를 측정한다.[20] 압착된 빛은 또한 플라스모닉 센서와 원자력의 현미경 검사에서 표준 양자 한계 이하의 신호를 감지하는 데 사용되었다.[21]

양자 감지는 또한 분해능 한계를 극복하는 능력을 가지고 있는데, 여기서 두 개의 가까운 주파수 사이의 구별성이 사라지는 현재의 문제를 투영 노이즈를 소멸시킴으로써 극복할 수 있다.[22][23] 감소하는 투영 소음은 통신 프로토콜과 나노-핵 자기 공명에서 직접 응용된다.[24][25]

얽힘은 기존 원자 시계를[26] 개선하거나 보다 민감한 자기계측기를 만드는 데 사용될 수 있다.[27][28] 양자 레이더도 연구 활동 영역이다. 현재의 고전 레이더는 많은 표적 빈을 심문할 수 있는 반면 양자 레이더는 단일 양극화 또는 범위에 한정된다.[29]

참조

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