출처: phys.org

2022년 4월 12일

글: 글래스고대학교

양자 이미징 분야의 돌파구는 의학 연구와 진단에 활용할 첨단 현미경 기술의 개발로 이어질 수 있다.

글래스고대학교와 헤리엇와트대학교의 물리학자들로 구성된 연구팀은 기존 광학 현미경으로는 제대로 관찰할 수 없는 조건에서도 정밀한 현미경 이미지를 만들어내는 새로운 방법을 발견했다.

오늘 학술지 네이처 포토닉스에 발표된 새로운 논문에서, 연구팀은 홍–오우–만델(HOM) 간섭으로 알려진 양자 현상을 활용하는 새로운 방법을 찾아 이미지를 생성한 과정을 설명했다.

1987년 이 현상을 처음 입증한 세 연구자의 이름을 딴 HOM 간섭은 양자 얽힘 상태의 광자들이 빔 분할기를 통과할 때 발생한다. 빔 분할기는 하나의 빛을 통과시키면서 두 개의 별도 빔으로 나눌 수 있는 유리 프리즘이다. 프리즘 내부에서 광자는 안쪽으로 반사되거나 바깥쪽으로 투과될 수 있다.

광자들이 동일하면 항상 빔 분할기에서 같은 방향으로 나오는데, 이를 ‘뭉침’이라고 한다. 분리된 빛의 빔이 지나가는 경로 끝에 놓인 광검출기로 얽힌 광자들을 측정하면, 빛의 출력 확률 그래프에 특징적인 ‘딥’, 즉 움푹 내려간 부분이 나타난다. 이는 뭉친 광자들이 한 검출기에만 도달하고, 다른 검출기에는 도달하지 않는다는 것을 보여준다.

이 딥이 바로 홍–오우–만델 효과이며, 두 광자의 완벽한 얽힘을 보여준다. 이 효과는 작동하기 위해 완벽한 얽힘이 필요한 양자컴퓨터의 논리 게이트와 같은 분야에 활용되어 왔다.

이 효과는 양자 센싱에도 사용되어 왔다. 빔 분할기의 한 출력 경로와 광검출기 사이에 투명한 표면을 놓으면, 광자가 검출될 때까지 걸리는 시간에 매우 미세한 지연이 생긴다. 이 지연을 정교하게 분석하면 표면의 두께와 같은 세부 정보를 재구성하는 데 도움이 된다.

이제 글래스고대학교가 이끄는 연구팀은 이 효과를 현미경 기술에 적용했다. 단일 광자에 민감한 카메라를 사용해 뭉침과 반뭉침을 보이는 광자들을 측정하고, 표면의 미세한 이미지를 분해해 관찰했다.

연구팀은 네이처 포토닉스 논문에서 자신들의 장치를 이용해, 현미경 슬라이드 위에 분사한 평균 깊이 13마이크로미터의 투명 아크릴과 유리 조각에 약 8마이크로미터 깊이로 새긴 ‘UofG’ 문자들의 고해상도 이미지를 생성한 과정을 보여준다.

연구 결과는 1~10마이크로미터의 해상도로 세밀하고 잡음이 적은 표면 이미지를 생성할 수 있음을 보여준다. 이는 기존 현미경에 가까운 결과다.

글래스고대학교 물리학·천문학부의 다니엘레 파치오 교수는 이번 논문의 주저자다. 파치오 교수는 다음과 같이 말했다. “가시광선을 사용하는 기존 현미경 기술은 자연 세계에 대해 엄청난 지식을 알려주었으며, 우리가 놀라울 정도로 다양한 기술적 발전을 이루는 데 도움을 주었습니다.

“그러나 기존 현미경 기술에는 몇 가지 한계가 있습니다. 이러한 한계는 양자광을 이용해 미시 세계를 탐구함으로써 극복할 수 있습니다. 세포가 거의 완전히 투명할 수 있는 생물학적 이미징에서는 기존의 빛을 사용하지 않고도 세포의 미세한 구조를 살펴볼 수 있다는 것이 큰 장점이 될 수 있습니다. 이번 연구에서 투명한 표면을 촬영 대상으로 선택한 것은 바로 그 가능성을 보여주기 위해서였습니다.

“마찬가지로 기존 현미경에서는 시료를 완전히 정지된 상태로 유지해야 합니다. 아주 작은 진동만 생겨도 이미지가 흐려져 사용할 수 없게 될 수 있습니다. 그러나 HOM 간섭은 광자 사이의 상관관계만 측정하면 되므로, 안정성을 유지해야 할 필요가 훨씬 적습니다.

“이제 홍–오우–만델 효과를 활용해 이러한 양자 현미경 기술을 구현할 수 있다는 사실을 확인했으므로, 나노 규모의 이미지까지 분해해 관찰할 수 있도록 이 기술을 개선하고 싶습니다. 이를 달성하려면 정교한 공학적 설계가 필요하겠지만, 세포막이나 심지어 DNA 가닥처럼 극도로 작은 구조를 선명하게 볼 수 있다는 전망은 매우 흥미롭습니다. 앞으로도 우리의 설계를 계속 다듬어 나가기를 기대합니다.”