밀리터리
양자 레이더
existence_of_nothing
2022. 7. 28. 09:32
물리학은 본질적으로 "빛은 무엇인가?"와 "입자 혹은 물질은 무엇인가?"를 탐구하는 학문이다. 이 모든 질문들에 아인슈타인이 관련되어 있다. 물론, 그는 돌연변이 천재는 아니며 거인의 어깨에 올라탄 수많은 이들 중 한 명일 뿐이다.
"빛은 입자이면서 파동이다"... 입자는 한 곳에, 파동은 전체에 존재하기에.. 이는 다른 말로는 "빛은 여기에 있으면서 모든 곳에 있다" 라는 형용 모순적인 표현을 의미한다. 이것이 가능한 얘기인가? ... 이 질문에 대답하려면 우리는 먼저 입자는 무엇인지 파동은 무엇인지에 대해서 좀 더 정확히 이해해야 한다.
깜깜한 방에 photon은 없다. 전등을 켠다. 이제 photon이 나타난다. 그들은 어디에 숨어있었던 것인가? 전등 빛을 약하게 약하게 만들어 보자. 광자들이 하나 둘씩 사라지고, 드디어 단 하나의 광자만 남기게 되면, 이것 조차도 파동으로 존재하게 되는가? 입자 한개의 파동이라...
오늘날 과학자, 공학자들은 단 한 개의 광자를 만들 능력이 생겼다. 어떻게 단 한개의 광자를 만들 수 있을까?.. 사실, 그 질문보다 더 미스터리한 것은, 어떻게 단 한개의 광자만 있다는 것을 알 수 있을까?
양자 역학을 깊이있게 들어가면, 입자는 실제가 아니라 입자는 현상임을 얘기한다. 실제는 파동이며, 파동은 우리가 진공이라고 부르는 그 공간에 원래부터 존재했었고, 앞으로도 (영원히?) 계속 존재할 것이다.
==========================
2008년 MIT의 Jeffrey Shapiro와 seth Lloyd는 얽힌 상태의 양자를 레이더 시스템에 적용할 수 있는 개념적 기술을 발표하면서 양자 레이더 연구를 촉발한다. 이론적으로는 가능했지만, 그것이 실제 레이더 시스템에 의미있게 적용되려면 많은 문제점들을 해결해야 한다고 언급하였지만, 그것이 스텔스 비행체를 탐지할 수 있는 유력한 기술이 될수 있다고 생각한 많은 강대국들이 그 기술을 현실화하려고 노력 중이다. 2016년 중국은 세계 최초로 단광자 검출 양자 레이더를 개발했다고 발표하지만, 다른 나라들은 반신반의한다.
양자 얽힘, quantum entanglement는 양자 중첩과 더불어, 양자 역학의 핵심적 개념이며, 양자 역학을 참으로 기묘한 이론으로 만드는 두 주범들이기도 하다. 아무리 떨어져 있더라도, 얽힌 상태에 있는 두 양자 중, 하나를 측정하면 반대측 양자의 상태는 광속보다 더 빠르게, 동일한 순간에 결정된다는 사실, 두 얽힌 양자가 반은 검정 반은 하얀색으로 존재하다가, 한 쪽 양자가 검정이 되면 반대측 양자는 즉시 하얀색이 된다는 설명에 아인슈타인은 전혀 만족하지 못하고 그것을 “원격 유령 작용, spooky action at a distance”라고 부른다.
양자 역학에서 하나의 양자를 그대로 copy하는 것은 이론적으로 불가능하며, 이를 no clone theorem이라고 부른다. 즉, 측정 시스템 혹은 복사 시스템이 양자에 영향을 주면 그 양자의 상태는 변하게 되며 따라서 원래 양자와 동일한 양자 상태를 가지게 만들 수는 없다. 이것은 한편으로는 양자 컴퓨터와 고전 컴퓨터와의 근본적인 구성/동작의 차이를 만들고, 한편으로는 통신 과정에 도청자(Eve’s droper)가 개입하면 쉽게 탐지가 가능하게 만든다. 양자 얽힘 현상을 이용하면 멀리 떨어진 지점으로 한 양자의 상태를 그대로 옮길 수도 있으며 이를 quantum teleportation이라고 부른다.
얽힌 상태의 두 양자를 만든 후, 한 양자는 내가 가지고 있고, 다른 양자를 비행기에 비추고 반사된 양자와 원래 내가 가지고 있던 양자 상태를 비교하여 물체의 존재를 파악하는 것을 양자 조사 (quantum illumination)라고 하며, 이를 통하여 양자 레이더를 만들 수 있다. 이것은 고전적인 방법, 즉, 광자를 목표물에 보내고 반사되어 돌아온 광자의 수를 단순히 세는 방식 대비, 6dB의 개선이 있으며, 특히 스텔스기와 같이 돌아오는 광자의 수가 극히 적은 경우에, 그래서 주변 잡음에 민감한 신호를 탐지하는 경우에 효과적인 방법으로 여겨진다.
"빛은 입자이면서 파동이다"... 입자는 한 곳에, 파동은 전체에 존재하기에.. 이는 다른 말로는 "빛은 여기에 있으면서 모든 곳에 있다" 라는 형용 모순적인 표현을 의미한다. 이것이 가능한 얘기인가? ... 이 질문에 대답하려면 우리는 먼저 입자는 무엇인지 파동은 무엇인지에 대해서 좀 더 정확히 이해해야 한다.
깜깜한 방에 photon은 없다. 전등을 켠다. 이제 photon이 나타난다. 그들은 어디에 숨어있었던 것인가? 전등 빛을 약하게 약하게 만들어 보자. 광자들이 하나 둘씩 사라지고, 드디어 단 하나의 광자만 남기게 되면, 이것 조차도 파동으로 존재하게 되는가? 입자 한개의 파동이라...
오늘날 과학자, 공학자들은 단 한 개의 광자를 만들 능력이 생겼다. 어떻게 단 한개의 광자를 만들 수 있을까?.. 사실, 그 질문보다 더 미스터리한 것은, 어떻게 단 한개의 광자만 있다는 것을 알 수 있을까?
양자 역학을 깊이있게 들어가면, 입자는 실제가 아니라 입자는 현상임을 얘기한다. 실제는 파동이며, 파동은 우리가 진공이라고 부르는 그 공간에 원래부터 존재했었고, 앞으로도 (영원히?) 계속 존재할 것이다.
==========================
2008년 MIT의 Jeffrey Shapiro와 seth Lloyd는 얽힌 상태의 양자를 레이더 시스템에 적용할 수 있는 개념적 기술을 발표하면서 양자 레이더 연구를 촉발한다. 이론적으로는 가능했지만, 그것이 실제 레이더 시스템에 의미있게 적용되려면 많은 문제점들을 해결해야 한다고 언급하였지만, 그것이 스텔스 비행체를 탐지할 수 있는 유력한 기술이 될수 있다고 생각한 많은 강대국들이 그 기술을 현실화하려고 노력 중이다. 2016년 중국은 세계 최초로 단광자 검출 양자 레이더를 개발했다고 발표하지만, 다른 나라들은 반신반의한다.
양자 얽힘, quantum entanglement는 양자 중첩과 더불어, 양자 역학의 핵심적 개념이며, 양자 역학을 참으로 기묘한 이론으로 만드는 두 주범들이기도 하다. 아무리 떨어져 있더라도, 얽힌 상태에 있는 두 양자 중, 하나를 측정하면 반대측 양자의 상태는 광속보다 더 빠르게, 동일한 순간에 결정된다는 사실, 두 얽힌 양자가 반은 검정 반은 하얀색으로 존재하다가, 한 쪽 양자가 검정이 되면 반대측 양자는 즉시 하얀색이 된다는 설명에 아인슈타인은 전혀 만족하지 못하고 그것을 “원격 유령 작용, spooky action at a distance”라고 부른다.
양자 역학에서 하나의 양자를 그대로 copy하는 것은 이론적으로 불가능하며, 이를 no clone theorem이라고 부른다. 즉, 측정 시스템 혹은 복사 시스템이 양자에 영향을 주면 그 양자의 상태는 변하게 되며 따라서 원래 양자와 동일한 양자 상태를 가지게 만들 수는 없다. 이것은 한편으로는 양자 컴퓨터와 고전 컴퓨터와의 근본적인 구성/동작의 차이를 만들고, 한편으로는 통신 과정에 도청자(Eve’s droper)가 개입하면 쉽게 탐지가 가능하게 만든다. 양자 얽힘 현상을 이용하면 멀리 떨어진 지점으로 한 양자의 상태를 그대로 옮길 수도 있으며 이를 quantum teleportation이라고 부른다.
얽힌 상태의 두 양자를 만든 후, 한 양자는 내가 가지고 있고, 다른 양자를 비행기에 비추고 반사된 양자와 원래 내가 가지고 있던 양자 상태를 비교하여 물체의 존재를 파악하는 것을 양자 조사 (quantum illumination)라고 하며, 이를 통하여 양자 레이더를 만들 수 있다. 이것은 고전적인 방법, 즉, 광자를 목표물에 보내고 반사되어 돌아온 광자의 수를 단순히 세는 방식 대비, 6dB의 개선이 있으며, 특히 스텔스기와 같이 돌아오는 광자의 수가 극히 적은 경우에, 그래서 주변 잡음에 민감한 신호를 탐지하는 경우에 효과적인 방법으로 여겨진다.
한 때는 그 실용성을 의심받으면서, 정작 미국에서는 연구가 뜸해지다가 중국이 2016년 양자 레이더를 개발했다는 발표에 그 중요성을 인식하고 2019년부터 “국가 양자 주도안”(national quantum initiative)을 발표하며 향후 5년동안 1.5조원을 투입하여 양자 레이더를 포함한 양자 기술을 개발하기로 한다.
2006년 유럽 연합은 “quantum Europe”를 주창하며 “quantum manifesto”를 발표하고, 2018년부터 10년동안 1.3조원의 연구비를 양자 기술 플래그십(quantum technologies flagship)에 투입하기로 결정한다. 중국은 “양자 굴기”를 내세워 2017~2022년까지 17조원을 양자 기술 개발에 투자해, 세계 최장 거리인 7600km 거리에서 양자 통신과 2016년 100 km에서 기존 레이더 탐지율보다 성능이 좋은 양자 레이더를 개발했다고 발표한다.
============================
양자레이더에는 크게 quantum interferometric radar와 quantum illumination radar가 있다. 먼저, interferometer, 간섭계는 마이켈슨-몰리 실험이나 혹은 중력파 검출 등에서 자주 얘기가 나오므로 잘 알고 있을 것이다. 광원으로부터 방출된 빛/레이저를 2개의 경로로 분리하여, 그 둘 사이에 경로 차를 검출하는 기구이다. 마이켈슨은 1887년 이를 이용하여 빛을 운반하는 매질은 없다 즉 에테르는 없다는 사실을 증명하고 이 공로로 마이켈슨은 1907년 노벨상을 받는다. 1891년 Zehnder와 이듬해 Mach는 마이켈슨 간섭계를 약간 변형하여 아래 오른쪽과 같은 마하젠더 간섭게(Mach-Zehnder interferometer)를 고안한다. BS1은 180도의 위상차가 나게 입력 빔을 분리하기에 만약 두 경로가 동일하다면 D1/D2에서는 깜깜하게 나타난다.
2006년 유럽 연합은 “quantum Europe”를 주창하며 “quantum manifesto”를 발표하고, 2018년부터 10년동안 1.3조원의 연구비를 양자 기술 플래그십(quantum technologies flagship)에 투입하기로 결정한다. 중국은 “양자 굴기”를 내세워 2017~2022년까지 17조원을 양자 기술 개발에 투자해, 세계 최장 거리인 7600km 거리에서 양자 통신과 2016년 100 km에서 기존 레이더 탐지율보다 성능이 좋은 양자 레이더를 개발했다고 발표한다.
============================
양자레이더에는 크게 quantum interferometric radar와 quantum illumination radar가 있다. 먼저, interferometer, 간섭계는 마이켈슨-몰리 실험이나 혹은 중력파 검출 등에서 자주 얘기가 나오므로 잘 알고 있을 것이다. 광원으로부터 방출된 빛/레이저를 2개의 경로로 분리하여, 그 둘 사이에 경로 차를 검출하는 기구이다. 마이켈슨은 1887년 이를 이용하여 빛을 운반하는 매질은 없다 즉 에테르는 없다는 사실을 증명하고 이 공로로 마이켈슨은 1907년 노벨상을 받는다. 1891년 Zehnder와 이듬해 Mach는 마이켈슨 간섭계를 약간 변형하여 아래 오른쪽과 같은 마하젠더 간섭게(Mach-Zehnder interferometer)를 고안한다. BS1은 180도의 위상차가 나게 입력 빔을 분리하기에 만약 두 경로가 동일하다면 D1/D2에서는 깜깜하게 나타난다.
N0>+0N> 이라는 양자 얽힘 상태를 생각하자. 여기서 N은 입자가 N개 있는 상태, 0은 입자가 0개 있는 상태를 의미한다. 이 상태에서는 예를 들어, A라는 지점에서 photon이 0개 검출되면, B라는 지점에는 N개의 photon이 검출되고, B에서 0개 검출되면 A에서는 N개의 입자가 검출되는 상태이다. 이렇게 입자의 수로 양자 상태를 표시하는 경우, 이것을 Fock state(space)라고 부른다. 입자의 수가 변화하는 양자장론에서 특히 중요한 상태 공간이다. N0>+0N>의 중첩 상태를 N00N state라고 부르며, 이 상태를 이용하여 고전적인 방법으로 얻을 수 있는 해상도보다 훨씬 높은 고해상도 영상을 얻거나 고해상도 신호 처리가 가능해진다. 이를 레이더 신호 처리에 이용하면 이것이 quantum interferometric radar이다.
Quantum illumination radar에서는 먼저, 얽힌 상태의 두 광자를 만든 다. 이를 각각 idle, signal photon이라고 부르는데, 이들 중 signal photon을 목표물에 조사하고 반사된 photon과 idle photon간의 양자 상관성(quantum correlation)을 비교하여, 목표물을 검출한다. 물론, 목표물까지 다녀온 signal photon과 시스템내에 고이 모셔 둔 idle photon간에는 시간 간격이 존재하므로, 양자 정보를 잃어버리지 않는 quantum memory에 idle photon에 잠시 보관해야 한다.
얽힌 상태의 두 양자를 만드는 방법은 그렇게 어렵지는 않다. 그 중 하나의 방법은 1970년에개발된 SPDC (spontaneous parameter down conversion)이라는 방법이다. 높은 에너지 광자(펌프 광자)를 2개의 광자로 분리한다. 두 광자는 (외부와의 에너지/운동량 교환이 없이) 하나의 광자로부터 분리되었고 2개의 광자들의 에너지의 합, 운동량의 합은 원래 펌핑 광자와 동일해야 한다. 즉, 그 2개의 광자는 강한 상관성을 가지게 된, 즉, 얽힌 광자 상태를 유지한다.
양자 역학과 관련 기술을 활용한 전장 개념도이다. 양자 레이더, 양자 소나를 이용하여 먼 거리의 잠수함이나 RCS가 극도로 낮은 스텔스 비행체를 감지한다. 군사시설 간의 통신은 양자 암호 통신으로 본질적으로 해킹이 불가능하게 만들고, 양자 컴퓨터를 통하여 고도의 연산을 수행한다. 또한, 모든 센서들은 양자 역학적 원리에 따라, 고전역학적으로 감지하지 못하는 미미한 신호까지 검출한다.
반응형