이 양자 센서는 GPS 없이도 3D 움직임을 추적합니다.

켄달 멜링(왼쪽)과 케이티 르데스마(오른쪽)가 CU 볼더 캠퍼스에서 새로운 종류의 원자 "간섭계"를 살펴보고 있다. 사진: 글렌 아사카와/CU 볼더

콜로라도 볼더 대학의 물리학자들은 새로운 연구에서 믿을 수 없을 정도로 낮은 온도로 냉각된 원자 구름을 사용하여 3차원 가속도를 동시에 측정했습니다. 이는 많은 과학자들이 가능하다고 생각하지 못했던 업적입니다.

이 장치는 새로운 유형의 원자 "간섭계"로, 언젠가 사람들이 잠수함, 우주선, 자동차 및 기타 차량의 조종을 더욱 정확하게 하는 데 도움이 될 수 있습니다.

"기존 원자 간섭계는 1차원 가속도만 측정할 수 있지만, 우리는 3차원 세계에 살고 있습니다."라고 이번 연구의 공동 저자이자 콜로라도 볼더 대학교 물리학과 대학원생인 켄달 멜링은 말했습니다. "제가 어디로 가고 있는지, 그리고 어디에 있었는지 알기 위해서는 3차원 모두에서 가속도를 추적해야 합니다."

연구진은 이번 달 사이언스 어드밴시스 (Science Advances) 저널에 "광 격자에서의 벡터 원자 가속도계(Vector atom accelerometry in an optical lattice)"라는 제목의 논문을 게재했습니다 . 이 팀에는 멜링, 물리학 박사후 연구원인 케이티 르데스마(Catie LeDesma), 그리고 콜로라도 볼더 대학교와 미국 국립표준기술연구소(NIST)의 공동 연구소인 JILA의 물리학 교수이자 펠로우인 머레이 홀랜드(Murray Holland)가 포함되었습니다.

2023년에 NASA는 센서 기술 개발을 계속하기 위해 해당 기관의 양자 경로 연구소를 통해 CU 볼더 연구원들에게 550만 달러의 보조금을 수여했습니다.

이 새로운 장치는 공학의 경이로움을 보여줍니다. 홀랜드와 그의 동료들은 머리카락만큼 얇은 레이저 여섯 개를 사용하여 수만 개의 루비듐 원자 구름을 제자리에 고정합니다. 그런 다음 인공지능의 도움을 받아 이 레이저들을 복잡한 패턴으로 조작합니다. 이를 통해 연구팀은 자동차의 가속 페달을 밟는 것과 같은 작은 가속도에 반응하는 원자의 움직임을 측정할 수 있습니다.

오늘날 대부분의 차량은 GPS와 가속도계라고 불리는 전통적인 전자 장치를 사용하여 가속도를 추적합니다. 연구팀의 양자 장치는 이러한 도구와 경쟁하기에는 아직 갈 길이 멉니다. 하지만 연구진은 원자 기반 내비게이션 기술에 큰 가능성을 보고 있습니다.

"고전적인 센서를 여러 환경에 수년간 방치하면 노화되고 부식됩니다."라고 멜링은 말했습니다. "시계의 스프링은 변하고 휘어집니다. 원자는 노화되지 않습니다."

동작의 지문

간섭계는 여러 형태로 수 세기 동안 사용되어 왔으며 광섬유를 통해 정보를 전송하는 것부터 중력파나 우주 구조의 파장을 찾는 것까지 모든 것에 사용되었습니다.

이 동작의 전반적인 개념은 물건을 분리한 다음 다시 조립하는 것으로, 재킷의 지퍼를 풀었다가 다시 올리는 것과 비슷합니다.

예를 들어 레이저 간섭계에서 과학자들은 먼저 레이저 빛을 쏜 다음, 이를 두 개의 동일한 빔으로 분리하여 두 개의 서로 다른 경로를 따라 이동합니다. 결국 이 빔들을 다시 합칩니다. 만약 레이저가 이동 과정에서 중력의 작용 방식과 같은 발산 효과를 겪었다면, 재결합 시 완벽하게 맞물리지 않을 수 있습니다. 다시 말해, 지퍼가 끼어버릴 수도 있습니다. 연구자들은 한때 동일했던 두 빔이 이제 어떻게 서로 간섭하는지를 바탕으로 측정할 수 있는데, 이것이 바로 레이저 간섭계라는 이름이 붙은 이유입니다.

이번 연구에서 연구팀은 빛 대신 원자를 사용해 동일한 성과를 달성했습니다.

작동 원리는 다음과 같습니다. 이 장치는 현재 에어하키 테이블 크기의 벤치에 놓입니다. 먼저, 연구진은 루비듐 원자들을 절대 영도보다 불과 수십억 분의 몇 도 높은 온도까지 냉각합니다.

그 극한의 온도에서 원자는 보스-아인슈타인 응축(BEC)이라는 신비로운 양자 물질 상태를 형성합니다. 당시 콜로라도 볼더 대학교의 물리학자였던 칼 위먼과 JILA의 에릭 코넬은 최초의 BEC를 개발한 공로로 2001년 노벨상을 수상했습니다.

다음으로, 연구팀은 레이저 광선을 사용하여 원자들을 흔들어 분리합니다. 이 경우, 원자 집단이 분리되는 것은 아닙니다. 오히려 각 원자는 중첩이라는 희미한 양자 상태로 존재하며, 이 중첩 상태에서는 동시에 두 곳에 존재할 수 있습니다.

원자가 분리될 때, 그 유령들은 두 가지 다른 경로를 따라 서로 멀어집니다. (이번 실험에서 연구진은 장치 자체를 실제로 움직이지 않고 레이저를 사용하여 원자를 밀어 가속을 일으켰습니다.)

"우리의 보스-아인슈타인 응축물은 원자로 이루어진 물질파 연못입니다. 우리는 작은 빛 덩어리로 만들어진 돌멩이를 연못에 던져 좌우로 파동을 일으킵니다."라고 홀랜드는 말했다. "파동이 퍼져 나가면 반사시켜 간섭이 일어나는 지점에서 다시 모읍니다."

원자들이 다시 합쳐지면, 마치 두 개의 레이저 광선이 서로 교차하는 것처럼 독특한 패턴을 형성하지만, 그보다 더 복잡합니다. 그 결과는 유리에 찍힌 엄지손가락 자국과 비슷합니다.

홀랜드는 "우리는 그 지문을 해독하고 원자가 경험한 가속도를 추출할 수 있다"고 말했습니다.

컴퓨터로 계획하기

연구팀은 이 업적을 달성하기 위해 장치를 만드는 데 거의 3년을 투자했습니다.

"현재 실험 장치는 놀라울 정도로 작습니다. 원자 구름이 담긴 진공 시스템을 통과하는 레이저 빔이 18개나 되지만, 전체 실험은 언젠가 현장에 배치할 수 있을 만큼 작습니다."라고 르데스마는 말했습니다.

그 성공의 비결 중 하나는 머신러닝이라는 인공지능 기술에 있습니다. 홀랜드는 루비듐 원자를 분리하고 재결합하려면 복잡한 다단계 과정을 거쳐 레이저를 조정해야 한다고 설명했습니다. 이 과정을 간소화하기 위해 연구팀은 이러한 움직임을 미리 계획할 수 있는 컴퓨터 프로그램을 개발했습니다.

지금까지 이 장치는 지구 중력보다 수천 배 작은 가속도만 측정할 수 있었습니다. 현재 사용 가능한 기술로는 훨씬 더 나은 결과를 얻을 수 있습니다.

하지만 연구팀은 엔지니어링을 지속적으로 개선하고 있으며, 향후 몇 년 안에 양자 장치의 성능을 몇 배나 향상시킬 수 있기를 기대하고 있습니다. 그럼에도 불구하고, 이 기술은 원자가 얼마나 유용한지를 보여주는 증거입니다.

홀랜드는 "이 연구가 가져올 수 있는 모든 파급 효과를 우리는 정확히 알 수 없다. 왜냐하면 이 연구는 새로운 문을 열어주기 때문이다"라고 말했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/06/250614034235.htm