quantum wave

• 저자 Q-CTRL
• 저널 arXiv preprint
• 게재일 2025. 04. 10
• 카테고리 양자 센싱
• DOI 10.48550/arXiv:2504.08167

정확한 위치와 경로를 제공하는 기술은 현대 과학기술의 핵심적 역할을 담당해 왔으며, 이 가운데 위성항법(Global Navigation Satellite System, GNSS)은 다양한 장점과 높은 신뢰성을 바탕으로 오늘날 항법 시스템의 중심적 위치를 차지하고 있다. 그러나 극지·해저·사막 등 위성 신호가 도달하지 않는 지역은 여전히 “지도 밖 영역”으로 남아 있고 전파 방해(jamming)와 가짜 신호 삽입(spoofing)과 같은 위협에도 상시적으로 노출되어 있다는 한계를 지닌다. 이를 보완하기 위한 대체 항법 기술 또한 대개 이동통신 기지국 등 외부 인프라의 지원이 필요하며, 여전히 전파 교란 위험과 낮은 실용성을 극복하지 못하고 있다.

이에 대한 보완책으로 제시된 것은 지구 자기장의 미세 변화를 감지한 후 이를 기존 지구 자기장 지도와 비교해 위치를 보정하는 방식인 자기 이상 항법(Magnetic Anomaly Navigation, MagNav)이다. 이 방식은 외부와의 위치 정보 교환이 없기 때문에 위치가 노출되지 않고 외부 환경에도 영향을 받지 않으며, 전파 교란에 의한 위협으로부터도 자유롭다. 하지만 수십 nT 수준의 아주 미세한 자기장을 정밀하게 감지하고, 측정 장치가 실려있는 플랫폼(선박, 비행기 등) 등에 의한 자기장 노이즈를 실시간으로 제거해내야 하기 때문에 지금까지는 기술적인 어려움에 가로막혀 있었다.

이번에 소개하는 논문은 이러한 기술적 장벽을 넘어선 사례로, 호주 Q-CTRL 연구진이 양자 자기장 센서를 활용해 ‘양자 보증 자기 이상 항법(Quantum-assured MagNav)’을 구현하고 실제 수천 km 규모의 비행 실험에 성공한 연구 결과를 다루고 있다.

본 논문에서 사용한 자기장 센서는 Optically pumped atomic magnetometer (OPAM)이다. 유리 증기셀에 담겨 있는 알칼리 원자의 스핀을 광펌핑을 사용하여 한 방향으로 정렬한 뒤에, 원자와 외부 자기장의 상호작용에 의해 스핀이 세차 운동하는 Larmor precession의 주기를 측정하여 이로부터 자기장의 크기를 알아낸다. 현재까지 개발된 원자 기반 자기장 센서는 10 cm 정도 크기에 증기셀, 레이저, 포토다이오드를 비롯한 구성요소들을 모두 탑재하면서도 수 nT의 자기장 변화를 충분히 탐지할 수 있는 수준까지 발전했고, 다양한 활용가능성을 바탕으로 국외 뿐만 아니라 국방과학연구소를 포함한 국내 산학연에서도 활발하게 연구 중이다. Q-CTRL의 양자 자기장 센서는 루비듐 원자를 사용했고, 약 10 cm, 70 g 정도로 매우 작고 민감도 또한 80 fT/sqrt(Hz) 정도로 세계 최고 수준이다.

이미지 확대보기

그림 1. 실험에 사용된 양자 자기장 센서 사진 (그림 출처: Q-CTRL 홈페이지)

또, 이 실험에는 정확한 위치 정보를 얻기 위해서 정밀한 자기장 센서 뿐만 아니라 자기장 측정 보정 소프트웨어 스택이 적용되었다. 이를 위해서는 고도 및 날씨 등에 의한 지구 자기장 지도 변화의 반영에 더하여 플랫폼에 의한 자기장 노이즈 제거가 핵심이다. 자기장 신호를 기반으로 한 항법 보정 계산에 이러한 필터가 반복적으로 수행되는데, 이 스택의 뛰어난 점은 데이터에 대한 후처리가 반영되는 것이 아니라 비행 중에도 실시간으로 보정 값을 적용할 수 있다는 점이다. 더 놀라운 점은, 플랫폼에 대한 상세한 초기 정보 없이도(Cold start) 운행이 시작됐을 때부터 실시간으로 플랫폼 특성을 학습하고 점점 정교하게 만들어 플랫폼 기인 노이즈를 제거한다. 이는 특정 플랫폼과 환경 조건에서만 통용되던 기존의 일회성 보정 방식과 뚜렷하게 대비되는 접근으로, 어떤 플랫폼에도 즉시 적용 가능한 보편적·적응적 항법 기술이라는 점에서 큰 혁신성을 보여준다.

이미지 확대보기

그림 2. Quantum-assured MagNav 시스템 아키텍쳐 (그림 출처: arXiv:2504.08167)

실제 현장 실험의 결과는 매우 놀랍다. 원자 기반의 스칼라 자기장 센서와 상용 벡터 자기장 센서가 결합된 MagNav를 사용하여 최대 19,000 피트 상공에서 6,700 km 이상을 비행할 수 있었다. 이 비행에서의 위치 정확도는 속도 보조가 적용된 관성 항법 장치(Inertial Navigation System, INS)를 사용했을 때보다 최대 46배 정확했고, 최종 위치 정확도는 약 22 m, 비행 거리의 0.006% 수준까지 얻어냈다. 또한, 양자 자기장 센서의 설치 위치가 항공기 외부일 때와, 자기장 노이즈가 약 10배 이상 높은 항공기 내부일 때를 가리지 않고 항상 INS보다 11~38배 향상된 위치 정확도를 보여주었다. 이는 Q-CTRL의 양자 자기장 센서와 노이즈 제거 알고리즘이 “매우 깨끗하고 정확한 지도”를 만들 수 있음을 시사한다. 또, 일반 화물차의 화물칸에 MagNav 시스템을 싣고 15-20 km 정도를 운행했을 때 최종 위치 오차 180 m, 약 7배 향상된 정확도를 달성했다. 이는 최초의 MagNav 기반 지상 실험이다.

이미지 확대보기

그림 3. 비행 실험(좌)와 지상 실험(우)에서의MagNav와 INS 간 위치 오차 비교 (그림 출처: arXiv:2504.08167)

결론적으로, 원자 기반의 양자 자기장 센서를 활용한 자기 이상 항법은 전략급 관성항법시스템 (INS) 보다 매우 우수한 위치 정확도를 보여줌과 동시에 외부 노이즈에 대해 안정적이고, 특별한 학습 데이터나 보정 기동 없이 현장에서 바로 재최적화를 할 수 있음을 보였다. 기존 위성시스템 기반 항법(GNSS) 의 약점이었던 전파 교란 상황에서도 MagNav가 재활성화될 수 있음이 확인되며, 독립적 항법 기술로서의 실전적 가능성을 보여주었다.

물론 아직까지 보완해야 할 과제들이 산재해 있다. 자기장 지도는 아직 모든 지역에 대해 있는 것이 아니고, 자기장 변화가 적은 지역에서는 정확도가 떨어진다. 또, 태양 폭풍 등의 매우 강한 외부 노이즈는 자기장 변화 탐지를 어렵게 한다. 하지만, 이런 한계에도 불구하고 양자 자기장 센서를 활용한 MagNav가 논의 수준을 넘어서 실전에도 적용이 가능함을 보인 것은 굉장히 고무적이다. 여러 개의 자기장 센서 활용, 자기장 지도 개발 등의 개선이 뒤따른다면 GPS를 대신할 독립적 항법 체계로 자리잡을 것이다.

이러한 우수함을 바탕으로 미국 국방고등연구계획국(DARPA)는 기존 항법 시스템의 대안을 마련하기 위해 Q-CTRL과 약 2,440만 달러 규모의 계약을 맺고 군사용 항법 체계를 위한 차세대 양자 센서 개발을 추진하고 있다.1 비단 해외 뿐만 아니라 국내에도 다양한 산학연 연구진들이 양자 자기장 센서 개발 및 연구를 진행하고 있다. 국방과학연구소 또한 독자적인 원자 증기셀 제작 시스템을 구축하고2 이를 바탕으로 루비듐 원자 기반 원자 스핀 자이로스코프(Atom Spin Gyroscope)와 양자 자기장 센서 개발을 진행해오고 있다. 이러한 연구들을 계속 이어나가 종국에는 양자역학의 발전이 실험실 안의 미시세계에 머물지 않고, 실제 현실에서의 문제를 해결하기까지 확장되기를 기대한다.

연구분야의 현재와 미래

호주 Q-CTRL은 AI 기반의 양자 인프라 소프트웨어 분야를 선도하고 있는 글로벌 양자 기술 기업이다. 2017년에 설립되어 글로벌 양자 기술 기업, 스타트업, 연구소 등에 양자 컴퓨팅 하드웨어를 위한 소프트웨어를 제공하고 있다. 뿐만 아니라, 이번에 소개한 양자 자기 항법의 첫 실전 검증, 양자 중력계를 활용한 군함 운행 등 양자 항법 체계 개발을 선도하고 양자 항법 센서 연구를 선도하고 있다. 양자 항법 시스템은 2025년 타임지 “올해의 개발”에도 이름을 올렸다.
국내도 유수의 산학연이 원자를 사용한 양자 센서 개발 연구를 진행하고 있다. 특히, 원자 기반 자기장 센서는 일차적인 개발이 완료되어 필드 테스트를 진행하고 있고, 이를 기반으로 한 항법 체계 마련 또한 시야에 두고 있는 상황이다. Q-CTRL의 양자 항법 검증을 보며 국내외 수많은 연구팀들이 양자 센서의 활용도 및 시장성을 높게 평가하고 있을 것이라 생각한다. 국내에도 이미 관련 연구가 활발히 진행되고 있고 그 성과가 축적되고 있는 만큼, 가까운 미래에 자체 개발된 양자 센서가 실제 현장에 적용되기를 기대한다.