가장 작은 규모에서 우리 우주는 이상해진다. 입자는 어떻게 조사하느냐에 따라 당구공이나 물 위의 파도처럼 작용한다. 속성은 동시에 측정할 수 없거나 값 범위에 걸쳐 불확실하게 번지는 경향이 있다. 인간의 직관은 우리를 실망시킨다.

지난 세기의 대부분 동안 이 모든 기이함은 대부분 물리학자의 영역이었다. 그러나 최근에는 이론적인 것과 실험적인 것이 실제적인 쪽으로 기울어지고 있다. 이러한 경향은 초기 양자 컴퓨터의 성장하는 동물에서 가장 잘 볼 수 있지만 기괴한 양자 행동은 계산 이상의 것에 유용하다. 일부 과학자와 엔지니어는 해킹할 수 없는 양자 통신 네트워크를 구축하고 있다. 다른 사람들은 센서에 눈을 둔다.

arXiv에 게시된 최근 인쇄 전 논문에서 프랑스 국립 과학 연구 센터(French National Center for Scientific Research) 팀은 레이저와 극저온 루비듐 원자를 사용하여 3차원 모두에서 극도의 정밀도로 움직임을 측정하는 양자 가속도계에 대해 설명한다.

이 작업은 양자 가속도계를 3차원으로 확장하고 GPS 없이도 정확한 탐색을 가능하게 하고 발 아래에 있는 귀중한 광물 매장량을 안정적으로 감지할 수 있다.

원자파

우리는 이미 매일 가속도계에 의존하고 있다. 전화를 받으면 디스플레이가 켜진다. 옆으로 돌리면 읽고 있는 페이지의 방향이 바뀐다. 작은 기계적 가속도계(기본적으로 스프링과 같은 메커니즘에 부착된 질량)는 이러한 동작을 가능하게 한다(자이로스코프와 같은 다른 센서와 함께). 전화기가 공간을 이동할 때마다 가속도계가 그 움직임을 추적한다. 여기에는 터널이나 셀 신호 사각지대와 같이 GPS가 끊어지는 짧은 시간이 포함된다.

기계식 가속도계는 있는 그대로 유용하지만 엉뚱한 곳에서 표류하는 경향이 있다. 충분히 오래 방치하면 킬로미터 단위로 오류가 누적된다. 이것은 GPS와 잠시 접촉하지 않는 전화기에는 중요하지 않지만 장치가 장기간 범위를 벗어날 때 문제이다. 그리고 산업 및 군사 응용 프로그램의 경우 정확한 위치 추적은 수중에서 GPS에 액세스할 수 없는 잠수함에서 또는 GPS를 잃을 경우 선박의 백업 항법으로 유용할 것이다.

연구원들은 위치 추적의 정확도를 향상시키기 위해 오랫동안 양자 가속도계를 개발해 왔다. 스프링을 압축하는 질량을 측정하는 대신 양자 가속도계는 물질의 파동 속성을 측정한다. 이 장치는 레이저를 사용하여 원자 구름을 느리게 하고 냉각시킨다. 이 상태에서 원자는 빛의 파동처럼 행동하여 움직일 때 간섭 패턴을 만든다. 더 많은 레이저가 공간을 통해 장치의 위치를 추적하기 위해 이러한 패턴이 어떻게 변경되는지 유도하고 측정한다.

초기에 원자 간섭계라고 하는 이 장치는 실험실 벤치에 흩어져 있는 전선과 기기가 엉망이었고 한 차원만 측정할 수 있었다. 그러나 레이저와 전문 기술이 발전함에 따라 더 작고 단단해졌으며 이제는 3D로 바뀌었다.

양자 업그레이드

프랑스 연구팀이 개발한 새로운 3D 양자 가속도계는 노트북 컴퓨터 길이만큼의 금속 상자처럼 보인다. 그것은 세 공간 축 모두를 따라 레이저를 사용하여 작은 유리 상자에 갇혀 거의 절대 영도까지 냉각된 루비듐 원자 구름을 조작하고 측정한다. 이전 양자 가속도계와 마찬가지로 이 레이저는 원자 구름에 잔물결을 유도하고 결과적인 간섭 패턴을 해석하여 움직임을 측정한다.

안정성과 대역폭(실험실 외부에서 사용하기 위한 요구 사항)을 개선하기 위해 새 장치는 두 기술의 장점을 활용하는 피드백 루프에서 기존 가속도계와 양자 가속도계의 판독 값을 결합한다.

팀은 극도로 정밀하게 원자를 제어할 수 있기 때문에 비슷하게 정확한 측정을 할 수 있다. 가속도계를 테스트하기 위해 그들은 흔들고 회전하도록 조작된 테이블에 부착했으며 시스템이 기존의 내비게이션 등급 센서보다 50배 더 정확하다는 것을 발견했다. 몇 시간에 걸쳐 기존 가속도계로 측정한 장치의 위치는 1km 떨어져 있었다. 양자 가속도계는 그것을 20미터 이내에 못 박았다.

수축 광선

여전히 상대적으로 크고 무거운 가속도계는 곧 iPhone에 사용할 준비가 되지 않을 것이다. 그러나 좀 더 작고 더 견고하게 제작되어 정확한 항해를 위해 선박이나 잠수함에 설치할 수 있다고 팀은 말한다. 또는 중력의 미묘한 변화를 측정하여 광물 매장지를 찾는 현장 지질학자의 손에 들어갈 수도 있다.

다른 그룹들도 현장용 양자 센서를 소형화하고 강화하기 위해 노력하고 있다. Sandia 국립 연구소의 팀은 최근 여기에 사용된 것과 같은 저온 원자 간섭계를 신발 상자 크기 정도의 견고한 패키지로 만들었다. 이 작업을 설명하는 논문에서 Sandia 연구원들은 광자 칩의 발전에 의해 추가 소형화가 추진될 것이라고 말한다. 그들은 미래에 그들과 같은 저온 원자 간섭계에 필요한 광학 부품이 한 면으로 8mm 정도 떨어진 칩에 들어갈 것이라고 말한다.

자이로스코프와 같은 더 많은 양자 센서가 파티에 합류할 수 있다. 그들은 또한 실험실을 탈출하기 전에 수축과 강화의 몇 라운드가 필요하다.

현재로서는 3D로 전환하는 것이 한 걸음 더 나아간 단계이다.

“3차원 측정은 양자 가속도계의 실제 사용을 위한 필수적이고 탁월한 엔지니어링 단계이다.

이미지 출처: 양자 자이로스코프에 갇힌 차가운 루비듐 원자 구름에 간섭 패턴이 나타남/ NIST(National Institute of Standards and Technology)