표준연, 스트론튬 핵심 주파수 88년 만에 새 절대값 확립

- 기존 측정불확도 대비 50분의 1 이하로 개선… 양자기술용 정밀 기준 확보 -

- 스트론튬 기반 광격자 원자시계·중성원자 양자컴퓨터 등 원자 냉각·제어에 활용 기대 -

---

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 이호성)이 포토닉 격자 칩을 활용해 1938년 이후 88년 만에 스트론튬 원자의 핵심 주파수를 재측정하고, 측정 불확도를 50배 이상 낮춘 새로운 절대주파수 값을 확립했다. 이번 성과는 차세대 양자기술에 필요한 정확한 기준값을 선제적으로 확보한 것으로, 원자시계와 중성원자 양자컴퓨터를 포함한 양자기기의 정밀 제어와 소형화에 크게 기여할 것으로 기대된다.

스트론튬은 광격자 원자시계와 양자센서 등 정밀 양자기술에 널리 활용되는 원자다. 스트론튬을 이들 기술에 활용하려면 빠르게 움직이는 원자를 레이저로 느리게 만든 뒤 정밀하게 제어해야 하며, 이때 원자가 가장 잘 반응하는 빛의 주파수를 정확히 아는 것이 필수적이다.

▲ KRISS 연구진이 스트론튬 전이주파수 측정 장치를 점검하고 있다.

그러나 기존 주파수 값은 1938년 태양 스펙트럼과 스트론튬 아크광을 비교해 얻은 것으로, 오늘날 정밀한 레이저 주파수 설정에 그대로 활용하기에는 불확도가 컸다. 이에 연구자들은 정확한 절대값을 곧바로 적용하기보다, 마치 아날로그 라디오의 다이얼을 돌려 주파수를 맞추듯 원자의 반응을 직접 관찰하며 필요한 레이저 주파수를 찾아 조정해 왔다.

▲ 포토닉 격자 칩을 이용한 스트론튬 전이주파수의 두 가지 독립 측정법 개략도

최근 광주파수 제어·측정 기술이 고도화되고 양자기기의 소형화가 추진되면서, 정확한 절대주파수 값의 필요성은 더욱 커졌다. 이에 KRISS 연구진은 스트론튬 원자의 감속·제어에 쓰이는 461 나노미터(nm) 파란빛의 전이주파수를 측정해 650.503815(5) 테라헤르츠(THz)라는 새로운 절대값을 확립했다. 1년에 걸친 정밀측정 끝에 불확도를 약 5 메가헤르츠(MHz)까지 낮춰 기존보다 50배 이상 개선한 것이다. 특히 이번 측정에는 KRISS가 확립·유지하는 대한민국표준시의 국가 시간·주파수 표준이 활용되었다. 이 표준은 국제단위계(SI)와 연결돼 있어, 연구실이나 장비 환경이 달라도 전 세계에서 동일한 기준으로 신뢰성 있게 비교·활용할 수 있다.

▲ 스트론튬 전이주파수 측정에 활용한 포토닉 격자 칩. KRISS가 한국과학기술원(KAIST) 김상식 교수, 나노종합기술원(NNFC) 박종철 박사와 공동 개발했으며, 칩 제작은 박종철 박사가 맡았다.

측정 안정성을 높인 핵심 장치는 KRISS가 한국과학기술원(KAIST), 나노종합기술원(NNFC)과 공동 개발한 ‘포토닉 격자 칩’이다. 진공 내부에 설치된 칩 표면의 미세한 격자 구조가 빛을 정해진 방향으로 회절·반사해, 외부 거울을 여러 개 정렬하는 기존 방식보다 기계적 흔들림에 따른 측정오차를 줄여 준다. 또한 하나의 칩으로 여러 방향의 레이저를 구현해 광학장치를 단순화할 수도 있다.

▲ 스트론튬 원자 형광의 공간적 분석을 이용한 전이주파수 측정

▲ 2차원 자기광포획 원자의 속도 분석을 이용한 전이주파수 측정

장치 측면의 측정오차를 줄인 데 이어, 연구진은 원리가 다른 두 측정법으로 전이주파수를 각각 독립적으로 구해 결과의 신뢰성을 검증했다. 레이저 주파수에 따른 원자의 빛 반응을 분석하는 방식과, 레이저로 느려진 원자빔의 속도에서 전이주파수를 역산하는 방식을 적용했다. 두 방식에서 얻은 측정값은 오차 범위 내에서 일치했으며, 국제 지침에 따라 각 결과의 불확도를 반영해 최종값을 산출했다.

▲ 스트론튬 1S0-1P1 광주파수 측정 결과 비교

이번에 확립된 새 절대주파수 값은 스트론튬 기반 광격자 원자시계, 양자센서, 중성원자 양자컴퓨터에서 원자를 정밀하게 냉각·제어하는 기준으로 활용될 수 있다. 향후 광주파수 합성 기술과 결합하면 주파수를 일일이 찾아가는 과정을 줄일 수 있어, 냉각원자 기반 양자기기의 소형화와 상용화를 앞당길 전망이다.

KRISS 이재훈 책임연구원은 “이번 연구는 하나의 주파수 값을 다시 측정한 것을 넘어, 차세대 양자기술에서 활용될 정확한 측정기준점을 선제적으로 제시했다는 데 의미가 있다”며, “KRISS는 국가측정표준대표기관으로서 양자과학기술에서 필요한 새로운 측정 영역의 기준을 개척해 나가겠다”고 밝혔다.

▲ 스트론튬 전이주파수 측정 연구진

(좌측부터 KAIST-KRISS 양자대학원 소속 이재환 연구학생, KRISS 이재훈 책임연구원, KRISS 이현경 선임연구원)

한편, 이번 연구는 방위사업청과 국방기술진흥연구소(KRIT)의 초정밀 양자 계측 센서 특화연구실 사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구성과는 측정표준 분야의 세계적 전문학술지 ‘메트롤로지아(Metrologia, IF 3.2)’에 지난 7월 게재됐다.