양낙규기자의 Defense Club 로고

[국방과학연구소]1990년대 초반 등장한 양자이론은 현재 미국 등 세계 선두 그룹에서 고전물리학의 한계를 극복하기 위해 다양한 양자 현상을 연구하고 있는 분야다. 양자기술은 4차 산업혁명과 연계해 적용 분야가 다양한 양자컴퓨터, 양자센싱, 양자통신 등에서 집중적으로 연구되고 있으며, 특히 국방 분야와의 접목으로 새로운 개념의 미래 무기체계를 선도할 와해적 기술로 주목받고 있다.

▲기존레이다의 한계를 넘어라 ‘양자 레이다’= 최근 양자기술 강대국을 중심으로 미시 세계에서 벌어지는 양자 현상을 우리가 살고 있는 거시 세계에 접목할 방법이 서서히 구체화 되고 있다. 중국은 인공위성을 이용해 오스트리아와 중국 간 얽힌 광자 상태 기반의 양자 통신 기술 시연에 성공함으로써 장거리 양자 통신 분야를 선도하고 있고, 미국은 수십 개의 초전도 양자 비트(quantum beat, qubit)를 이용해 양자 컴퓨팅 등의 제한적인 영역에서 양자 우위(quantum supremacy) 성능을 선보였다. 또한 유럽 및 미국에서 초전도 양자 소자 기반의 양자 레이다 관련 연구결과가 실험실 수준에서 제시됐고, 양자 레이다의 세부 기술들에 대한 기초연구가 활발하게 진행 중이다.

양자 레이다는 기존 레이다의 한계를 넘어 신호대 잡음비를 혁신적으로 증대할 수 있다. 양자 레이다의 핵심인 ‘얽힌 광자쌍’을 이용하여 얽히지 않은 광자를 사용하는 것보다 저피탐체를 명확히 탐지할 수 있는 양자 원격 센싱의 원천기술를 확보하기 위해 국방과학연구소를 중심으로 한 국내 연구가 진행되고 있다. 주요 핵심 기술로는 양자 정보를 생성하기 위한 양자 상태 생성, 생성된 양자 정보 저장, 장거리 양자 정보 송수신을 위한 광학적 광자와 마이크로 광자간의 양방향 변환 및 양자 상태 정밀 측정 기술 등이 있다.

▲ 양자 자기장 센서= 양자 센서는 고전 센서의 한계를 획기적으로 극복해 고전 센서로는 측정이 불가능한 값들을 측정하거나 측정 정밀도를 높일 수 있는 초고감도, 초고분해능 구현기술이다.

특히 양자 자기장 센서는 국방 분야에서 매우 폭넓게 사용되고 있는데, 잠수함 탐지를 위한 자기변화탐지기(MAD, magnetic anomaly detector), 항만에서 함정 등의 출입을 감시하는 항망감시체계, 지하 및 수중에 매설된 위험물을 탐지하는 불발탄(UXO, unexploded ordnance) 탐지 장비 등에 활용되고 있다.

그 중에서도 원자기반 양자 자기장 센서는 양자 측정 한계까지 측정이 가능하고 센서의 저전력 운용의 장점을 가지고 있어 양자 기술 선진국에서는 국방 분야 연구개발이 활발하다. 이 센서의 원리는 외부 자기장이 변화할 때 원자의 세차운동 주파수(Larmor frequency)가 변화한다는 것에 기반한다. 원자의 내부 에너지 레벨을 이용해 양자축을 정렬하고 원자 스핀을 동기화 시킨 후, 외부 자기장 세기 변화에 따른 원자의 세차운동 주파수의 변화를 측정하여 외부 자기장의 크기를 정확하게 측정한다. 원자기반 양자 자기장 센서의 핵심은 소형 제작(수 mm³)이 가능한 원자셀로, 기존 센서(Fluxgate)에 비해 소형화로 센서 제작이 가능하게 해주며 소형화에 따른 낮아진 소모전력으로 드론에 탑재가 가능하다.

▲ 광자기반 마이크로파 레이다= 기존 레이다의 경우, 다기능 및 다중 주파수 대역의 시스템으로 성능을 개량하고 있다. 특히, 레이다의 성능에서 송신 신호의 질 및 운용주파수의 변조가 핵심으로 잡음 특성이 우수하며 높은 주파수 대역에서 운용이 가능한 신호원 개발에 집중 투자하고 있다.

기존 RF 신호는 전자 소자를 이용, 여러 단계의 주파수 변환을 거치면서 운용 주파수 대역으로 신호원을 만들고 있다. 이때 각 단계별로 신호원의 잡음이 유입되며, 전자 소자의 특성상 특정 주파수 대역만 사용 가능하다. 하지만 광자기반 마이크로파 기술은 광대역, 전자파 장애(EMI)에 대한 내성, 낮은 손실 및 낮은 왜곡 등의 장점을 가지고 있어 해당 기술을 이용한다면 기존 레이다의 여러 단계에 의한 주파수 변환이 필요 없고 잡음이 매주 적게 유입되어 적은 송신전력을 가지고도 레이다의 탐지거리 및 해상도를 증가시킬 수 있다.

국방과학연구소는 국내 인프라를 활용해 주요 광소자의 국산화 개발과 레이다 신호 발생 및 검출의 집적화 연구를 수행 중이다. 또한 초고속 광통신 등에서 활발히 진행되고 있는 민수분야와의 적극적인 협업을 통해 기존의 전자파 기반 레이다 센서를 광자기반 마이크로파 레이다로 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

국방과학연구소는 첨단국방과학기술 연구개발을 통해 미래를 준비하고 있다. 향후 양자 분야의 기술적 우위 선점을 통해 미래 전방위 위협에 적극적으로 대비하고, 양자기술을 새로운 게임 체인저로 개발해 국가방위산업 발전을 견인할 수 있도록 노력 중이다.