스트론튬 광격자시계, 양자기술 활용 글로벌 GPS위성 정밀도 향상에 꼭 필요한 기술

중국 양자기술의 아버지로 불리는 판첸웨이 교수/신화=뉴시스양자기술 주도권 경쟁을 벌이고 있는 미국과 중국의 광격자시계 기술 개발이 본격화한다. 중국이 72억년에 1초 오차가 발생하는 스트론튬 원자 광학시계 개발에 성공, 미래 글로벌 위성시스템과 통신 네트워크 시장을 놓고 원천기술 경쟁이 더 심화할 전망이다. 

29일 중국 SCMP(사우스차이나모닝포스트)에 따르면 중국과기대 판젠웨이 교수 연구팀은 최근 72억년마다 1초가량 빠르거나 느려지는 스트론튬 기반 극초정밀 광학시계를 개발, 중국이 미국에 이어 두 번째로 가장 정확하게 시간을 측정하는 국가가 됐다고 밝혔다. 

연구팀은 이와 함께 기초 물리학 이론을 테스트하고 중력파를 감지하며 암흑 물질을 검색할 수 있는 새로운 경로도 개발했다고 발표했다. 

SCMP는 "이제까지 가장 정확한 스트론튬 기반 광격자시계 기술은 중국계 미국인 물리학자인 콜로라도대 준예가 이끄는 연구팀이 보유하고 있으며, 중국이 개발한 시계보다 미세하게 더 정확하고 안정적"이라고 전했다. 비록 최고 기술 보유국은 미국이지만 이를 주도한 것은 중국계라는 점을 부각시키겠다는 의도도 엿보인다. 

정확한 광격자시계 기술은 미래 최고 중요 인프라 중 하나인 양자기술을 활용한 글로벌 GPS위성 정밀도를 크게 향상시키는 데 꼭 필요한 기술이다. 이런 이유로 스트론튬 기반 광격자시계 연구엔 미국과 중국은 물론 일본 도쿄대, 일본물리화학연구소, 독일국립계측연구소 등 세계 유수 연구기관들이 총력전을 펼치고 있다. 한국도 이터븀 등을 이용한 광학시계 개발을 추진 중이다. 

이번 연구를 주도한 판첸웨이 교수는 중국에서는 '양자의 아버지'로 불린다. 스트론튬-87 원자를 극도로 냉각한 후 여기에 레이저 광선을 교차시키면 안정적으로 광선이 교차되는데, 이 광선의 진동수를 측정해 정확한 시간을 측정한다. 오차는 4.4조분의 1로, 72억년마다 1초가량의 오차가 발생하는 수준이라고 연구팀은 결론냈다. 

스트론튬 광격자시계 연구는 '1초의 기준'을 바꿀 수 있는 도전이다. 현재 1초는 세슘의 진동수를 기준으로 측정된다. 이 기준을 누가 먼저 바꾸느냐가 양자기술의 주도권 향방을 가늠할 수 있는 요소가 된다. 중국과 미국을 포함한 선진국들이 스트론튬과 이터븀 등을 활용한 새로운 광격자시계 개발에 매달리는 배경이다. 특히 중국의 의지가 강하다. 양자기술 면에서 미국을 뛰어넘겠다는 거다. 

중국 언론은 '미세한 차이' 등으로 뭉뚱그려 표현하고 있지만 아직 미중 간 기술 격차는 상당하다. 미국 위스콘신매디슨대 연구팀이 지난 2022년 네이처에 공개한 스트론튬 기반 광격자시계 오차는 3000억년 분의 1초였다. 그럼에도 중국이 본격적인 광격자시계 연구에 나섰다는 점은 의미가 크다. 10여년 전만 해도 1억년 분의 1초도 초고난도 기술로 대접받았을 만큼 기술 발전 속도가 빠른 분야다. 

게다가 중국의 양자기술 투자는 말 그대로 전폭적이다. 중국은 양자기술에 지금까지 최대 약 170억달러(약 23조원)를 투입했는데, EU는 84억달러, 미국은 37억달러 수준이다. 글로벌 컨설팅업체 맥킨지는 지난 2022년 기준 중국의 양자기술 특허 출원 점유율이 52.3%라고 집계했다. 같은 해 미국은 10%, 일본과 유럽연합은 합쳐 13.8%였다. 핵심인 양자컴퓨팅 기술에서도 중국의 점유율은 52.8%에 달했다. 

중국은 양자기술 상용화 관련 앞서가고 있는 미국을 원천기술 면에서 추월하겠다는 방침이다. 시진핑 중국 국가주석이 발표하는 핵심 경제전략 리스트의 상단을 양자기술이 채운 지 이미 오래다. 미국도 이를 의식하기 시작했다. 미국은 지난해 8월 중국의 첨단 기술에 대한 추가 규제를 발표했는데 반도체, 인공지능(AI)와 함께 양자기술도 규제 명단에 포함됐었다.