쌍둥이 광자로 다중 표적 동시 탐지 길 열어

포스텍 신희득 물리학과·융합대학원 교수 연구팀이 여러 표적의 거리와 방향을 한 번에 판별하는 양자 라이다 기술을 개발했다. 표적 신호보다 배경 잡음이 1000배 강한 실험 환경에서도 한 차례 측정으로 복수 표적을 구분했다. 연구 성과는 국제 학술지 ‘레이저 앤 포토닉스 리뷰즈’에 최근 게재됐으며, 국방과학연구소 미래도전국방기술 연구개발사업과 정보통신기획평가원 대학ICT연구센터 지원사업으로 수행됐다.

핵심은 양자 광원에서 동시에 생성되는 광자쌍이 공유하는 파장과 시간 정보다. 표적으로 향하는 광자는 생성될 때 무작위 파장을 띠고, 회절격자를 지나면서 파장에 따라 서로 다른 방향으로 이동한다. 연구팀은 함께 만들어진 짝 광자의 파장을 측정해 표적 광자가 향한 방향을 역으로 확인했다. 두 광자의 생성 시각이 연결돼 있다는 특성도 활용해 수많은 배경광 가운데 실제 표적에서 돌아온 신호를 가려냈다.

라이다는 빛을 방출한 뒤 물체에서 반사돼 돌아오는 신호를 분석해 거리와 위치를 측정하며 자율주행차의 주변 인식, 지형 측량, 우주 탐사 등에 사용된다. 그러나 관측 사실이 드러나지 않도록 빛을 약하게 써야 하는 스텔스형 탐지나 저조도 환경에서는 반사 신호가 배경광보다 약해 식별이 어렵다. 기존 장비가 공간을 한 방향씩 훑는 순차 스캔 방식을 주로 사용해 여러 방향의 정보를 신속하게 확보하기 어렵다는 한계도 있었다.

새 구조는 빛의 진행 방향을 차례로 바꾸는 대신 여러 방향의 통로를 동시에 열어두고, 광자가 도착할 때마다 짝 광자와의 상관관계를 분석해 어느 방향에서 온 신호인지 판별한다. 이번 성과는 양자 라이다가 잡음에 강한 센싱을 넘어 다중 표적 병렬 탐지로 확장될 가능성을 원리 검증 단계에서 제시했다. 앞으로 광원과 검출 효율, 시스템 집적도가 개선되면 양자 계측과 저조도 이미징, 원격탐사 등으로 응용 범위가 넓어질 수 있다.