양자 기술 건설에 응용되다 VIDEO: Quantum technology, applied to construction
양자 컴퓨팅 및 센싱: 엔지니어가 양자의 장점을 시연하다.
애리조나 공과 대학 연구원과 제임스 C. 와이안트 광과학대학은 양자자원이 먼 미래를 위한 꿈이 아닌 오늘날의 기술을 어떻게 향상시킬 수 있는지를 실험적으로 보여준다.
양자 컴퓨팅과 양자 감지는 기존인 것보다 훨씬 더 강력할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 완전히 실현된 양자 컴퓨터는 수천 년이 걸리는 고전적인 컴퓨터 방정식을 푸는 데 단 몇 초가 걸릴 뿐만 아니라, 생물 의학 이미징에서 자율 주행에 이르기까지 다양한 분야에 막대한 영향을 미칠 수 있다.
https://scitechdaily.com/quantum-computing-and-sensing-engineers-demonstrate-a-quantum-advantage/
하지만, 이 기술은 아직 응용되고 있지 않다.
사실, 양자 기술의 광범위한 영향에 대한 광범위한 이론에도 불구하고, 극소수의 연구자들만이 양자 방법이 고전적인 방법보다 유리하다는 것을 지금 이용 가능한 기술을 사용하여 증명할 수 있었다.
2021년 6월 1일, 학술지 Physical Review X에 발표된 논문에서, 애리조나 대학교 연구원들은 실험적으로 양자 컴퓨팅이 고전적인 컴퓨팅 시스템보다 유리하다는 것을 보여준다.
"양자의 장점을 보여주는 것은 지역사회에서 오랫동안 추구해온 목표이며, 이를 보여줄 수 있는 실험은 거의 없었다"고 UARIZona Quantum Information and Materials Group의 수석 연구원이자 논문 저자 중 한 명인 Zheshen Zhang은 말했다. "우리는 이미 존재하는 양자 기술을 활용하여 실제 애플리케이션에 혜택을 줄 수 있는 방법을 시연하고자 한다."
퀀텀은 어떻게 작동하며 언제 움직이나
양자 컴퓨팅과 다른 양자 프로세스는 큐비트라고 불리는 작고 강력한 정보 단위에 의존한다. 오늘날 우리가 사용하는 고전적인 컴퓨터는 0 또는 1로 존재하는 비트라고 불리는 정보 단위와 함께 작동하지만, 큐비트는 동시에 두 상태에 존재할 수 있다. 이 이중성은 그들을 강력하고 연약하게 만든다. 섬세한 큐빗은 경고 없이 무너지기 쉬우므로 오류 수정(오류 수정)이라는 프로세스가 매우 중요합니다.
황기철 콘페이퍼 에디터
Ki Chul Hwang Conpaper editor
함병승 지스트 전기전자컴퓨터공학부 교수
거시양자세계 확정적으로 구현할 퀀텀레이저 제안
출처 : 정보통신신문(http://www.koit.co.kr)
[전문]
http://www.koit.co.kr/news/articleView.html?idxno=85216
건설현장 지형·공간 정보, 양자 라이다로 ‘정밀 분석’
최근 자율주행의 핵심 부품으로 활용되는 라이다는 ‘자동차의 눈’이라고 불리기도 한다. 이 라이다 기술은 자율주행뿐만 아니라 스마트건설에도 활용되고 있어 주목을 받고 있다.
라이다는 일반적인 카메라 이미지인 2D와는 다르게 3D로 공간 정보를 취득하기 때문에 2D 이미지 또는 2D 이미지 두 장을 활용하는 스테레오그래피보다 더욱 높은 정밀도의 공간 정보 취득이 가능하다.
Quantum LiDAR
기존의 라이다는 APD(Avalanche Photo Diode) 감지를 위한 센서로 활용 하는데 비해 양자 기반 라이다는 SPAD(Single Photone Avalanche Diode)를 사용한다. SPAD는 APD를 Break-down 전압 아래에서 동작 시키는 APD로 Geiger-mode APD라는 또 다른 이름을 가지고 있다.
이를 활용할 경우 광자 1개에 해당하는 에너지에도 반응하기 때문에 이를 이용한 라이다의 민감도가 획기적으로 올라가게 된다. 이는 APD 사용 라이다에 비해 같은 파워의 소스를 사용한다면 더욱 먼 거리에 대한 감지가 가능하다는 것이 특징이다. 같은 거리를 감지 하고자 한다면 더욱 낮은 파워의 소스로도 감지가 가능하고, 이는 Eye-safety 측면에서 더욱 안전한 라이다가 된다는 것을 의미한다.
한편, 라이다의 소스는 펄스 방식으로 구현 되는데, 이 펄스의 길이에 따라 거리 정확도가 결정된다. 펄스의 길이가 짧아질수록 시간 분해능이 높아져 정확도가 올라가는 원리이다.
하지만 이 펄스의 길이를 무작정 짧게 할 수는 없으며 펄스를 짧게 한다는 것은 송출되는 에너지가 작아진다는 것이기 때문에 APD가 감지 가능한 최소 에너지량에 도달 하지 못할 수 있다.
반면, SPAD를 센서로 사용하는 라이다는 광자 한 개가 가지고 있는 에너지에도 반응 할 정도로 민감하기 때문에 레이저의 펄스를 기존의 라이다보다 더욱 짧게 운용해도 감지에 문제가 없다. 즉, 기존의 APD 사용 라이다에 비해 SPAD를 사용하는 양자 기반 라이다가 민감도 면에서도 월등하다는 것이다.
이러한 기술을 이용해 개발된 것이 ‘양자 기술 기반 라이다’다.
스마트건설기술 개발사업의 연구 과제에서도 보다 정밀한 지형·공간 정보를 측정해 광범위한 토공 현장에 제공하기 위해 이러한 양자 기술 기반 라이다를 드론에 적용해 활용되고 있다.
일반적으로 학계에서 이야기하는 양자 라이다는 얽힘 현상이 있는 서로 반대 스핀을 가지고 있는 양자원을 가지고 하나는 기존의 라이다 원리처럼 공간으로 쏘고 다른 하나는 가지고 있다. 그러다가 공간으로 쏜 양자가 돌아오면 그것이 전에 쏜 양자인지 판단해 맞으면 데이터로 처리, 아니면 무시하는 방식으로 정확한 타겟팅과 에러 데이터를 줄여 더욱 정확한 공간 정보를 취득할 수 있는 라이다인 것이다. 이러한 라이다를 개발하기 위해서는 광자 1개도 감지가 가능한 라이다가 필요하며, 앞으로 연구와 개발돼야 할 기술이 더 많지만 현재 개발 중인 라이다 기술로 그 첫 걸음을 뗐다.
이러한 양자 기술 기반 라이다를 개발하고 있는 ㈜퀀텀센싱은 지난 2019년 설립돼 물리학의 영역인 양자, 광섬유 센싱 기술과 정보통신 영역인 산업용 사물인터넷(IIoT) 기술을 융합해 에너지 시설물 안전관리 솔루션을 개발하고 서비스를 제공하는 산업융합 전문기업이다.
현재 퀀텀센싱은 스마트건설기술 개발사업의 일환으로 연구에 참여해 건설현장의 지형·공간 정보를 보다 정밀한 분석으로 양자 기술 기반의 라이다의 우수성을 증명하고 있다. 특히 기존 라이다 시스템보다 30~40% 작은 출력으로 정밀 계측이 가능하기 때문에 기존과 같은 출력으로 드론에 장착 시 높은 상공에서 보다 넓은 영역의 계측이 가능하다는 것이 장점이다.
이에 따라 토공사, 도로공사 현장과 같이 광범위한 현장의 정밀 계측 정보들을 제공함으로써 빠른 시간 내에 시공오차를 최소화해 건설 산업의 생산성 향상, 공사기간 감축 등의 경제적인 비용을 절감할 수 있을 것으로 예상된다.
퀀텀센싱 반창우 소장(사진)은 “현재 이 기술을 이용해 원거리 가스 영상화를 위한 기술을 개발 중에 있다”며 “기본적인 적외선 흡수 분광 기술을 이용하는 가스 영상화 기술은 감지 하고자 하는 가스가 흡수하는 파장의 빛을 쏘고 반사돼 되돌아오는 빛을 받아 그 차이로 가스의 유/무와 농도를 판단할 수 있다”고 말했다.
그는 이어 “이러한 방식으로 면적을 스캔하고 측정해 취합하면 가스에 대한 영상이 만들어지는 원리다. 현재 메탄가스를 타겟으로 개발 중에 있으며, 이 기술은 광범위한 면적에 대한 메탄가스 감지를 위한 분야에 사용이 가능하다”며 “또한 요즘 환경 문제에서 크게 이슈화 되고 있는 탄소 배출권과 함께 메탄에 대한 배출 제한을 위해 메탄 배출 감시 장비로도 활용될 수 있다”고 덧붙였다.
퀀텀센싱이 현재 개발하고 있는 양자 기술 기반의 라이다 시스템은 다양한 분야에서 짧은 계측 거리, 사용 환경에 따른 한계 등을 극복하며 여러 솔루션을 제공할 수 있다. 특히 건설 산업의 드론을 이용한 계측과 맵핑 분야는 토공 현장 뿐만 아니라 공간 정보를 이용한 고속도로의 시설물 관리, 작업자의 접근이 어려운 도로/교량/에너지 시설물 안전관리 솔루션과 서비스에도 적용 가능하다.
이 기술은 원거리에서 광범위한 지역의 계측을 통해 직관적으로 파악할 수 있는 솔루션을 현장에 제공해 건설 산업뿐만 아니라 다양한 산업 군에서 생산성 향상 및 안전에 기여할 수 있는 서비스와 솔루션을 제공할 예정이다.
[공학저널 전찬민 기자]
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