한국표준과학연구원(KRISS)이 포토닉 격자 칩을 활용하여 스트론튬 원자의 핵심 주파수를 재측정하고, 측정 불확도를 50배 이상 개선한 혁신적인 연구 결과를 발표했다. 이는 차세대 양자기술에 필요한 정확한 기준값을 선제적으로 확보하는 중요한 한 걸음이다.

88년 만에 새로운 절대주파수 값을 확립하게 된 배경은 포토닉 격자 칩의 개발과 그 효율적인 활용에 있다. 이재훈 KRISS 원자양자센싱그룹 책임연구원은 “이번 연구 결과는 차세대 양자기술을 위한 정확한 기준값을 선제적으로 확보한 것”이라며, 원자시계와 중성원자 양자컴퓨터의 정밀 제어 및 소형화에 크게 기여할 것이라고 기대를 표명했다.

스트론튬은 광격자 원자시계와 양자센서 등에서 널리 활용되는 정밀한 양자기술의 핵심 구성 요소이다. 이를 효과적으로 사용하기 위해서는 빠르게 움직이는 스트론튬 원자를 레이저로 제어하여 느리게 만드는 과정이 필요하며, 그 과정에서 가장 반응이 좋은 빛의 주파수를 정확히 알아야 한다.

오늘날까지 사용되어온 기존 스트론튬 전이주파수 값은 1938년 태양 스펙트럼과 스트론튬 아크광을 비교해 얻은 것으로, 현대의 정밀한 레이저 주파수 설정에는 부족한 수준의 불확도를 가지고 있었다. 따라서 연구자들은 실질적인 응용을 위해 원자가 반응하는 주파수를 직접 관찰하며 필요한 레이저 주파수를 조정하는 방식으로 작업했다.

KRISS의 스트론튬 전이주파수 측정 연구팀은 이러한 과제에 대해 1년 동안 정밀측정을 수행하며, 스트론튬 원자의 감속 및 제어에 사용되는 461nm 파란빛 전이주파수를 새로운 절대값인 650.503815(5) THz로 확립했다. 이 과정에서 불확도를 약 5MHz까지 낮추어 기존 값보다 50배 이상의 개선을 이루었다.

이 연구는 KRISS가 한국과학기술원(KAIST) 및 나노종합기술원(NNFC)과 공동으로 개발한 ‘포토닉 격자 칩’에 큰 힘을 얻었다. 이 칩은 진공 내부의 미세한 격자 구조가 빛을 정해진 방식으로 회절·반사하여, 기계적 흔들림에 따른 측정오차를 줄이는 역할을 한다.

연구팀은 원리가 다른 두 가지 독립 측정법으로 전이주파수 값을 구하여 결과의 신뢰성을 확인했다. 하나는 레이저 주파수에 따른 원자의 빛 반응 분석 방식, 다른 하나는 느려진 원자빔의 속도로부터 전이주파수를 역산하는 방식으로 진행되었다.

이재훈 책임연구원은 “향후 광주파수 합성 기술과의 결합을 통해 주파수 찾기 과정을 줄일 수 있으며, 이는 냉각원자 기반 양자기기의 소형화와 상용화를 가속화할 것”이라고 전망했다.

결과적으로 KRISS 연구팀은 이러한 혁신을 통해 측정표준 분야에서 중요한 발전을 이루었으며, 그 결과는 국제 학술지 ‘메트롤로지아(Metrologia, IF 3.2)’에 게재되어 과학계에 큰 관심을 끌고 있다.

이 연구는 단순한 기술적 발전을 넘어서 양자기술의 미래를 관장할 수 있는 중요한 요소로, 다양한 분야에서의 적용 가능성과 발전 잠재력을 보여주고 있다. KRISS가 이끈 이 연구는 양자기술의 정밀화와 활용을 위한 기본적인 돌파구로 평가될 수 있으며, 미래에 대한 희망과 가능성을 새롭게 열어준다.