양자 센서는 양자센싱 및 양자 계측을 포함하는 단어로, 엄격하게 정의한다면 양자 얽힘(Entanglement), 압착(Squeezing), 중첩·(Superposition), 결맞음(Coherence) 등 양자 원리를 활용한 기술 중 기존의 고전 시스템을 사용한 센싱/계측 기술에 비해 분해능, 민감도, 측정영역의 한계를 극복하는 기술로 정의한다. 그러나 양자기술을 부분적으로 사용하여 기존의 센싱/계측 기술의 한계를 극복하는 조금 더 넓은 의미로 정의하기도 한다. 이는 각국의 양자 센싱에 해당되는 세부 내용을 볼때에도 넓은 의미의 정의가 사용됨을 알 수 있다. 예를 들어 미국/EU는 "센싱 및 계측", 영국은 "양자시계, 센서"로 독일은 "원자양자센서 및 물질파 광학", 일본은 "양자계측 센싱/이미징, 포토닉스 레이저", 중국은 "양자정밀측정"등으로 구분하고 있다.
양자 센서를 기능적으로 분류한다면, 양자 관성 센싱(양자 현상/시스템을 적용하여 중력, 가속도, 회전속도를 정밀하게 측정하는 기술, 예: 중력, 힘, 가속도, 회전속도 센싱 및 중력 구매 등의 지문 항법 기술 등), 양자 시간 주파수 센싱(양자 현상/시스템을 적용하여 시간 및 주파수를 정밀하게 측정하고 동기화하는 기술, 예: 고정밀 원자 시계, 초정밀 시각 동기, 탑재형 원자 시계 등), 양자 전·자기장 센싱 (양자 현상/시스템을 적용하여 전기장, 자기장, 전자기파를 정밀하게 측정하는 기술, 예: 고체 점결함 기반, 원자 증기셀 기반 전·자기장 센싱 및 이미징 기술 등), 양자 광 센싱 (양자 현상/시스템을 적용하여 광신호를 정밀하게 측정하고 이미징하는 기술, 예: 양자 얽힘광, 압착 광 기반의 센싱 기술, 양자 현미경 이미징 기술 등)로 분류하고, 이 모든 기술의 기반인 양자계측 (양자 현상/시스템에 기반한 고민감도, 고분해능 센싱 방법론 및 계측 기술, 예: 양자 시스템, 양자 결맞음, 양자 얽힘, 양자 압착 등을 이용한 계측 이론 및 기술 등)을 포함한다.
양자 센싱 기술은 기능적인 분류로 동일한 양자 센싱 기술(예: 자기장 센서)을 서로 다른 양자기술 (예: 포획 이온, 다이어몬드 NV센터 등)로 구현이 가능하며, 다른 양자기술의 부품기술 (예: 양자 광센싱의 양자 통신/양자 컴퓨팅 응용 등)이 되기도 한다. 또한 계속적인 연구로 새로운 양자 측정 기술이 등장하고 있다. (예: 양자 현미경, 양자 온도계 등) 양자 센서는 군용 정밀 센서로 초기 연구가 시도 되어, 이미 고전 센서의 성능을 뛰어넘은 결과를 보여주고 있다.
이미 선진국에서는 양자 센서 부분에 양자컴퓨터/양자통신 만큼 집중 투자를 실시하고 있다. 이는 가장 현실응용에 가까운 양자기술이며, 즉각적 응용에 따라 고전센서의 한계를 기능 측면에서 뛰어 넘고 있기 때문이다. 또한 양자 컴퓨터/통신과 같이 대규모 시스템이라기 보다는 다수 및 각각의 세부 센서들이 존재 하기 때문에, 대기업 보다는 능력이 있는 중견 또는 벤처기업의 산업화 도전이 활발한 연구 연역이다.
양자 센싱 기술의 범위는 다수의 영역으로 각각의 양자센서를 구성하는 데 필요한 핵심기술은 소재/부품/장치부분에서 모두 다르다. 이에 따라 본고에서는 설명을 축약하고, 과학기술정보통신부, 한국지능정보사회진흥원, 미래양자융합포럼에서 인터넷으로 공개하는 2022 양자정보기술백서를 일독하기를 권한다.
- 중력 매핑, 항법 등 광범위한 응용을 위한 저온 원자시스템 단순화
- 집적광학을 도입한 원자시스템 기반 칩스케일 센서 기술 개발
- 양자 센서용 정밀/소형/고안정 레이저 및 센서개발
- 스핀 압착, 양자비파괴 측정, 초발광 등의 양자물리 현상을 활용하여 물리계 잡음을 저감하는 기술 개발
- 양자잡음을 실시간 제어하는 광역학 기술 개발
- 높은 잡음 환경에서 기존 측정한계를 넘는 양자조명 고감도 LIDAR 기술
- 기존 방법으로 측정이 어려운 파장 영역에서 양자얽힘을 이용한 양자 분광센서 기술
- 빛의 회절에 의한 분해능 한계를 양자얽힘으로 극복하는 양자현미경 개발
- 세포의 역할을 마이크로미터 해상도로 관찰할 수 있는 양자 MRI 기술
- 나노미터 수준의 공간분해능을 갖는 nano-MRI
- 신경전류로 발생하는 극미세 자기장, 세포내 국소 자기장, 온도분포 등 기존 기술로 측정이 불가능한 대상 계측
송진동 박사는 서울대에서 1995년 학사 학위후 광주과학기술원에서 광전자공학으로 석사, 박사학위를 1997년, 2002년에 각각 받은 후, 한국과학기술연구원 입사하여 2002년부터 현재까지 연구원/선임연구원/책임연구원, 광전소재연구단 단장으로 봉직중이다. MBE를 이용한 화합물 반도체 나노구조 성장을 기반으로 초고속 반도체, 특수파장 레이저 다이오드/센서, 양자반도체소자등 극한 성능의 반도체 기술개발에 관심을 가지고 있다.