김동규 연구실은 광학과 양자계의 결맞음을 정밀하게 제어하여 기존 광학 계측의 한계를 넘어서는 양자센싱 기술을 연구한다. 특히 다이아몬드 질소-공공(NV) 중심과 같은 고체 양자결함을 센서로 활용해 자기장, 스핀 상태, 국소 환경 변화를 고감도로 측정하는 방향에 강점을 보인다. 이러한 연구는 상온 동작 가능성, 높은 공간 분해능, 집적화 가능성을 동시에 추구한다는 점에서 차세대 양자계측 플랫폼으로서 의미가 크다. 연구실의 대표적인 접근법은 양자등대 기반 피드백, 디지털 홀로그래피, 파면 제어, 초고해상도 집속 기술을 결합하는 것이다. 복잡한 산란 매질 내부에서도 양자 기준 신호를 이용해 빛의 위상과 세기를 정밀하게 보정함으로써, 기존 회절 한계를 넘는 광집속과 이미징을 구현하려 한다. 이는 Science 논문에서 보인 초해상도 광집속 연구와 연계되며, 양자센서를 단순한 검출기가 아니라 능동적 참조 비콘으로 활용하는 점이 특징이다. 이 연구는 생체 조직 내부 이미징, 나노스케일 자기장 측정, 초저잡음 현미경, 양자 극한 이미징 등으로 확장될 수 있다. 또한 CMOS 집적형 양자센서 개발 경험은 연구 성과를 실험실 수준에 머물지 않고 소형화·대량생산 가능한 기술로 연결하는 기반이 된다. 궁극적으로는 고전적 센싱보다 높은 민감도와 분해능을 갖는 실용적 양자센싱 시스템을 구현하는 것이 핵심 목표라고 볼 수 있다.

연구실은 대규모 양자정보처리를 가능하게 하는 광학 제어 기술에도 집중하고 있다. 특히 공간광변조기(SLM), 디지털 홀로그래피, 광집게 배열 생성 기술을 활용해 중성원자 큐비트를 정밀하게 포획하고 개별적으로 어드레싱하는 연구가 핵심 축을 이룬다. 이는 확장성이 높은 중성원자 양자컴퓨팅 플랫폼에서 다수 큐비트의 균일한 제어와 재구성이 가능하도록 만드는 필수 요소기술이다. 관련 논문에서는 대규모 균일 광초점 배열을 빠르게 생성하는 알고리즘을 제시하여 수천 개 수준의 광학 초점을 높은 균일도로 구현하였다. 이러한 기술은 단순한 광학 패턴 생성이 아니라, 실제 양자컴퓨터에서 원자 배열 초기화, 개별 큐비트 제어, 얽힘 생성, 측정 정확도 향상으로 직결된다. 또한 연구 과제들에서 확인되듯이 상온 1000큐비트급 중성원자 프로세서, 논리 QPU용 광제어 요소기술, 큐비트 제어용 레이저 시스템 개발까지 이어지는 로드맵을 갖고 있다. 이 분야의 의의는 양자컴퓨팅 하드웨어의 확장성 문제를 광학적으로 해결하려는 데 있다. 정밀 레이저, 광주파수 빗살, 모드잠금 시스템, 안정화 기술과 결합하면 더 높은 충실도의 양자게이트와 안정적 다중 큐비트 운용이 가능해진다. 나아가 뇌 신경 활동의 인과 구조 분석처럼 양자프로세서를 응용 계산 플랫폼으로 활용하는 연구도 병행되고 있어, 기초 광학에서 양자정보 응용까지 폭넓은 연구 스펙트럼을 형성하고 있다.

김동규 연구실의 또 다른 중요한 연구 방향은 고체 소재의 색중심 결함을 이용한 양자메모리와 양자네트워크 요소기술 개발이다. 실리콘 카바이드의 실리콘 빈자리 결함 등 고체 내 양자상태는 광학적으로 읽고 쓸 수 있으며, 장시간의 결맞음 유지와 소자 집적 가능성을 동시에 제공한다. 이러한 특성은 장거리 양자통신과 양자인터넷 구현을 위한 핵심 자원으로 평가된다. 연구 과제에서는 통신 파장대와 호환 가능한 양자메모리, 양자 중계기, 원격 얽힘 생성 기술을 구체적으로 목표로 삼고 있다. 이는 단일 양자비트의 제어를 넘어, 다수의 양자노드가 얽힘을 분산 공유하는 네트워크 구조를 실현하려는 시도다. 특히 파장변환 기술과 결합하면 고체 양자소자에서 생성된 양자정보를 실제 광통신 인프라와 연계할 수 있어, 실험실 기반 시연을 실제 시스템 수준으로 확장하는 데 유리하다. 이 연구는 장기적으로 양자컴퓨터와 양자센서를 연결하는 네트워크형 양자플랫폼 구축으로 이어질 수 있다. 개별 소자의 성능 향상뿐 아니라, 양자 상태의 저장·전송·동기화라는 시스템 차원의 문제를 다루기 때문에 미래 양자 생태계에서 전략적 가치가 크다. 연구실은 광학 제어, 고체 양자결함, 집적 센서 기술을 함께 축적하고 있어, 양자메모리와 양자네트워크를 실용 기술로 연결할 수 있는 기반을 갖추고 있다.