AI 기반 양자 기술로 자기계 민감도 6배 향상

연구진이 양자 시스템과 머신러닝 기법을 이용해 자기장을 측정하는 새로운 방법을 개발했습니다. 기존 기술보다 6배 더 높은 민감도를 달성했습니다.

측정 정밀도의 한계

사물을 얼마나 정밀하게 측정할 수 있는지에는 한계가 있습니다. X선 이미지를 예로 들면, 꽤 흐릿해서 전문 의사가 제대로 판독해야 합니다. 더 높은 강도와 긴 노출 시간으로 조직 간 대비를 개선할 수 있지만, 그런 많은 방사선은 인체에 안전하지 않습니다.

표준 양자 한계(standard quantum limit)라는 것을 아실 겁니다. 측정 정확도는 주어진 자원의 제곱근에 반비례합니다. 자원(방사선 강도, 시간, 이미지 수)을 더 많이 투입할수록 측정이 더 정확해집니다. 즉, 더 높은 정밀도는 방대한 자원을 필요로 합니다.

이제 MIPT, 알토 대학교, 란다우 연구소, ETH 취리히 물리학과의 국제 물리학자 팀이 양자 시스템과 머신러닝 기법을 이용해 자기장을 측정하는 더 나은 방법을 개발했습니다.

이들은 표준 양자 한계를 넘어서는 정밀도의 자기계(magnetometer)를 시연했습니다. 어떻게 개발했는지 살펴보겠습니다.

큐비트(Qubit)로 고감도 자기장 측정

연구진은 큐비트, 즉 초전도 인공 원자의 결맞음(coherence)을 활용해 자기장 측정 정밀도를 높였습니다. 실리콘 칩 위에 겹쳐진 알루미늄 스트립으로 만든 매우 작은 장치인데, 모바일 및 컴퓨터 프로세서 제조에 쓰이는 것과 같은 기술입니다.

이미지 출처: Babi Brasileiro / Aalto University

장치를 극저온에 노출하면 전류가 거의 저항 없이 흐르며, 실제 원자와 비슷한 양자역학적 특성을 보입니다. 사실 그 고유 자기 모멘트는 실제 원자/이온보다 약 10만 배 더 큽니다.

마이크로파 펄스로 조사하면 큐비트 상태가 변합니다. 이 변화는 가해진 외부 자기장에 의존합니다. 따라서 원자를 측정하기만 하면 자기장을 알 수 있습니다.

큐비트 기반 자기장 검출기에서 두 상태 사이의 결맞음(양자 상태의 결맞는 중첩)은 장치를 관통하는 자기장의 주파수로 진동합니다. 파동 함수의 위상 변화율을 더 높게 측정할수록 정밀도가 높아집니다.

참조: npj Quantum Information | doi:10.1038/s41534-018-0078-y | ETH Zurich

하지만 이것만으로는 표준 양자 한계를 넘는 정확도를 얻을 수 없습니다. 또 다른 트릭, 즉 머신러닝을 이용한 패턴 인식이 필요합니다.

연구진은 적응적 접근법을 적용했습니다. 측정을 수행하고 결과를 머신러닝 알고리즘에 입력했습니다. 그런 다음 AI가 다음 단계에서 제어 매개변수를 어떻게 변경할지 결정해 자기장의 가장 빠른 추정에 도달하게 했습니다.

이를 통해 기존 기술로 달성 가능한 것보다 약 6배 더 높은 민감도에 도달했습니다.

결론

양자 하드웨어와 양자 센싱 맥락에서의 지도 머신러닝 알고리즘의 결합은, 단일 또는 여러 큐비트 자기계가 현재 자기장 검출기의 한계를 넘어서는 정확도를 제공할 수 있음을 시사합니다.

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자기장 탐지는 뇌 활동 영상화부터 지질 처리에 이르기까지 광범위한 분야에서 필수적입니다. 양자 강화 방법을 센서 기술에 활용하기 위한 작은 발걸음입니다.