피아 간 전황 정확한 판단, 적군과 공격 무기 유도, 탐지․정밀 타격
전문가들 “양자중력 원리, 양자 RF센서, 양자 가속도계 기술이 핵심”
[애플경제 전윤미 기자]군사용 양자센서 기술이 빠르게 발달하고 있어 주목된다. 양자역학에 대한 연구가 본격화된 이 즈음, 과학계와 학계에선 특히 양자센서를 이용한 국방과 군사, 우주탐구 등의 실험과 실증 연구가 활발하게 이뤄지고 있다.
전통적 탐지․측정기술 한계 뛰어넘어
한국표준과학연구원에 따르면 양자센서는 무엇보다 전통적인 측정기술과는 비교가 안되게 높은 수준의 정밀 계측 기술을 지니고 있다. 기존 센서 기술이 가지는 측정 거리나, 민감도, 정확도의 한계를 돌파할 수 있는 중요한 기술 혁신으로 인식되고 있다.
조성완 한국표준과학연구원 선임연구원은 최근 이에 관한 연구보고서에서 “이러한 양자센서 기술은 전투나 전장에서 피아 간의 전황에 대한 정확한 인식, 적군과 공격 무기 유도, 감시, 탐지와 요격 등에 매우 유용하게 쓰일 수가 있다.”고 소개했다.
이에 따르면 양자중력의 원리나 양자 RF센서, 양자 가속도계 등의 기술이 군사나 국방 분야에 투입, 적용할 수 있는 가능성이 크다.
뉴턴 물리학 ‘중력’ 상호작용을 양자화
그 중 양자중력계는 양자중력이론을 기반으로 한 것이다. 양자중력은 “뉴턴 물리학에서의 중력이 상호작용하는 현상을 양자화하려는 시도”라는게 과학자들의 설명이다.
양자중력계는 중력이 상호작용하면서, 질량이 감소할 때 중력 또한 감소하는 현상을 이용한 것이다. 그 과정에서 매우 작은 질량의 변화를 측정할 수 있는 양자센서가 양자중력계의 역할을 한다. “양자중력계를 적용하면, 지하 터널이나 수로 등을 찾거나 새로운 유정(油井(유정))을 찾는데 사용될 수 있다.”는 얘기다. 또한 전장에선 적의 은폐, 엄폐 공간을 탐색, 파괴할 수도 있다.
양자 RF(Radio frequency) 센서 기술은 리드버그(Rydberg)원자의 원리를 이용한 것이다. 리드버그 원자를 이용한 양자 전기장 센서 기술은 전투나 전장을 비롯해 다양한 분야에서 응용될 수 있다. 실제로 항공우주 분야에서는 이미 비행기나 우주선의 위치와 속도를 측정하는 센서로도 사용되고 있다.
통신 분야에서도 무선 통신에서의 전파 간섭을 줄이기 위한 센서로 사용된다. 또한, 계측 분야에서는 전자기장 측정기로 사용되며, 마이크로파를 이용한 양자 기술 분야에서는 양자 컴퓨터와 같은 다양한 응용도 할 수 있다.
양 가속도계, 양 관성항법계 기술
양 가속도계와 양 관성항법계 기술도 군사용으로 활용할 수 있다. 즉, 원자 혹은 역학계를 기반으로 사물의 가속도와 각(角)가속도를 측정하는 것이다. 가속도와 각가속도를 조합하여 3축 방향의 선형 가속도와 회전 가속도를 측정하고 시간 정보를 바탕으로 속도와 각속도, 그리고 위치를 측정하여 이동하는 물체의 위치 정보를 제공한다.
한편 여기서 각가속도는 원운동에서 시간 변화에 따른 각속도의 변화율을 말한다. 가속도는 그 물체에 힘의 모멘트가 작용하지 않는 한 생기지 않는다. 이것을 ‘회전의 관성’이라고 한다. ‘회전의 관성’은 직선운동의 관성과는 달리 물체의 관성모멘트가 변화할 경우에는 힘의 모멘트가 작용하지 않더라도 각가속도가 생기며, 그에 따라 물체의 회전속도가 변한다.
이같은 양자센서 기술을 국방 분야에 적용하기 위한 연구는 이미 국내외에서 활발하게 진행되고 있다. 특히 조성완 선임연구원은 “국방 분야에 적용 가능한 양자센서 기술 중에서도 △양자 수신기, △양자 기술 기반 차세대 초정밀 PNT(Position-Navigation-Timing; 위치-항법-시간), △유도무기나 운송장비용 소형 양자 센서, △양자향상 기술 적용 가속도 센서 기술 등이 많이 연구되고 있다”고 전했다.
문한섭 부산대학교 교수도 이에 관한 별도 연구를 통해 “높은 수준의 정밀 계측 기술은 국가의 과학 기술 표준을 나타내고, 특히 국방과도 직결되어 있다”면서 “양자 계측 기술은 고분해능 이미징, 스펙트럼 분석, 자기장 센싱 등 다양한 분야에서 고전 계측의 한계를 뛰어넘을 수 있다.”고 밝혔다.
자기장, 전기장, 중력장, 선형․회전 가속도, 시간 등 정확 측정
이들 전문가에 의하면 양자센서는 무엇보다 기존 고전 측정 기술의 한계를 넘을 수 있는 정밀 측정이 가능하다는 점에서 차세대 국방기술로 기대를 받고 있다. 자기장, 전기장, 중력장, 선형 가속도와 회전 가속도, 시간과 같은 다양한 물리량을 기존의 센서보다 높은 정확도로 측정할 수 있다.
즉, 일반적인 산업용이나 정보통신용 정밀 측정뿐만 아니라 국방 분야에서 전장의 상황 파악과 감시, 군용 장비의 운용, 유도와 적 제압을 위한 유도무기의 정밀 투사를 위한 용도로 활용될 것으로 보인다.
한편 양자역학이론에 따르면 양자센서는 기본적으로 양자컴퓨터처럼 양자비트(quantum bits)나, 큐비트에 기반을 두고 있다. 이는 고전 상태와 대비되는 양자역학적인 성질을 이용한 것으로, 중첩(superposition)과 얽힘(entanglement) 현상이 대표적이다.
또한 양자센서를 포함한 양자역학적인 효과를 이용한 기술을 적용하면, 기존의 센서보다 매우 높은 민감도의 향상을 가져오거나 고전 측정 한계를 극복할 수 있다. 이 밖에 압착광(squeezed light)을 이용한 정밀 측정의 향상이나, 정밀한 원자시계 등도 양자센서에 포함된다.