양자 센서 (Quantum Sensor) 편집하기 (부분)

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==계측 (Metrology) 이란?==
계측이란 우리가 알고자 하는 정보를 얻기 위해 물리량을 측정하고 추정하는 총체적인 과정을 뜻한다. 국제단위계를 정의하고 측정하는 문제를 비롯해서, 자기공명영상 촬영, 바이러스 진단 검사, 군사 목표물 감지, 지질조사, 자율 차 및 드론 센서, 중력파 검출 등과 같이 측정과 관련된 문제들을 전반적으로 다룬다. 양자 계측(quantum metrology)이란 양자 계(quantum system)만이 갖는 성질[예: 양자 얽힘(quantum entanglement), 조임(squeezing), 양자화된 에너지 준위(level), 결맞음(coherence) 등]을 활용하여 고전 계(classical system)로는 달성할 수 없거나 혹은 제한된 조건에서 더 뛰어난 민감도(sensitivity), 정밀도(precision), 분해능(resolution)을 달성하는 방법을 연구하는 분야이다.

양자 계측은 계측 대상과의 상호작용을 겪은 양자 시스템의 변화를 살펴보는 것으로, 그 방식에 따라 편의상 두 가지 종류로 나눌 수 있다. 첫째, 양자 빛을 계측 대상에 입사시키고, 투과 혹은 반사된 빛의 양자 상태의 변화를 살펴보는 방법이다. 둘째, 계측 대상의 영향을 받고 있는 양자 시스템에 고전 빛을 입사시키고, 투과 혹은 반사된 빛의 특성을 살펴보는 방법이다 <ref name = " Quantum-Enhanced Measurements: Beating the Standard Quantum Limit">V. Giovannetti,S. Lloyd and L. Maccone, Quantum-Enhanced Measurements: Beating the Standard Quantum Limit, Science '''306''', 1330 (2004). doi:[https://doi.org/10.1126/science.1104149 10.1126/science.1104149.</ref><ref name = "QUANTUM ESTIMATION FOR QUANTUM TECHNOLOGY">M. G. A. Paris, QUANTUM ESTIMATION FOR QUANTUM TECHNOLOGY, International Journal of Quantum Information '''7''', 125 (2009). doi:[https://doi.org/10.1142/S0219749909004839 10.1142/S0219749909004839].</ref><ref name = "Advances in quantum metrology">V. Giovannetti, S. Lloyd and L. Maccone, Advances in quantum metrology, Nature Photonics '''5''', 222 (2011). doi:[https://doi.org/10.1038/nphoton.2011.35 10.1038/nphoton.2011.35].</ref><ref name = "Quantum metrology from a quantum information science perspective">G. Tóth and I. Apellaniz, Quantum metrology from a quantum information science perspective, Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical '''47''', 42 (2014). doi:[https://doi.org/10.1088/1751-8113/47/42/424006 10.1088/1751-8113/47/42/424006].</ref><ref name = "Quantum Limits in Optical Interferometry">R. Demkowicz-Dobrzański, M. Jarzyna and J. Kołodyński, Quantum Limits in Optical Interferometry, Progress in Optics '''60''', 345 (2015). doi:[https://doi.org/10.1016/bs.po.2015.02.003 10.1016/bs.po.2015.02.003].</ref>.

[[File:Sensing_Types.jpg|none|thumb|400px|양자 계측의 두 가지 종류]]

양자 계측은 위 분류와 관계없이 일반적으로 네 가지 단계로 이해할 수 있다 <ref name = "Quantum sensing" /><ref name = "Quantum Plasmonic Sensors">C. Lee ''et al.'', Quantum Plasmonic Sensors, Chemical Reviews '''121''', 4743 (2021). doi:[https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c01028 10.1021/acs.chemrev.0c01028].</ref>.

1)	양자 상태 초기화(initialization): 계측 대상과 상호작용할 양자계의 초기 상태를 적절히 준비한다.

2)	상호작용(interaction): 위에서 준비된 양자 계를 적절한 방법을 통해서 계측 대상과 상호작용시킨다. 이 과정을 통해서 양자 계의 상태 변화가 발생한다.

3)	측정(measurement): 적절한 측정 장치를 사용해서, 양자 계의 상태 변화를 측정한다.

4)	추정(estimation): 적절한 추정자(estimator)를 사용해서, 측정값을 토대로 실제 값을 추정한다.

따라서, 좋은 계측을 하기 위해서는 각 단계들을 최적의 방법으로 수행하는 것이 필요하다 <ref name = "Mathematical Methods of Statistics">H. Cramér, ''Mathematical Methods of Statistics'' (Princeton University Press, 1999).</ref><ref name = "Quantum detection and estimation theory">C. W. Helstrom, ''Quantum detection and estimation theory'' (Academic Press, 1976).</ref><ref name = " Fundamentals of Statistical Signal Processing:
Estimation Theory">S. M. Kay, '' Fundamentals of Statistical Signal Processing: Estimation Theory'' (Prentice Hall, 1993).</ref>. 이를테면, 계측에 유용한 양자적 특성을 가진 양자 상태를 준비하거나, 상호작용의 세기를 키우거나, 가장 많은 정보를 줄 수 있는 측정을 수행하거나, 가장 좋은 추정 방법을 사용할 수 있다. 최적의 방법론을 찾고, 실험적으로 구현하는 것이 양자 계측 연구의 핵심이다.

[[File:Sensing_Steps.jpg|none|thumb|400px|양자 계측의 일반적인 네 단계]]

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