주간기술동향 2020. 8. 19.

2 www.iitp.kr

*

I. 서론

양자정보과학은 20세기 양자역학 태동 이후 정보이론, 정밀 계측 실험의 발전과 더불어

급속도로 성장해 왔다. 특히, 최근에는 양자 컴퓨팅, 양자 통신, 양자 시뮬레이션, 양자

센싱으로 대표되는 양자 기술로서의 활용 가능성이 대두되면서 큰 주목을 받고 있다. 중

첩, 이중성, 불확정성, 양자 얽힘과 같이 원자 수준의 미시세계에서나 관측되던 양자역학

적 특성들을 실생활의 기술로서 활용하려는 시대로 성큼 들어서고 있다.

* 본 내용은 이동헌 교수(☎ 02-3290-3095, donghun@korea.ac.kr)에게 문의하시기 바랍니다.** 본 내용은 필자의 주관적인 의견이며 IITP의 공식적인 입장이 아님을 밝힙니다.

양자 컴퓨팅, 양자 시뮬레이션, 양자 통신과 더불어 미래 양자정보산업의 한 축을 담당할 양자 센싱은 넓은 의미에서 양자 시스템, 양자 효과를 이용하여 고전 센서로는 얻을 수 없는 높은 민감도와 분해능으로 다양한 물리량을 측정하는 기술을 일컫는다. 고전 센서가 극복할 수 없는 양자 한계 이하의 미세 신호를 측정함으로써 기초연구뿐만 아니라 ICT, 산업, 의료, 국방 등 다양한 센싱/이미징 분야에 활용 가능할 것으로 기대된다. 본 고에서는 양자 센서의 개념, 기본 작동원리, 대표적인 활용 예를 소개하고 국내외 연구 동향 및 시장 활용 전망에 대해 살펴보고자 한다.

chapter 1

양자 센서 연구 동향 및 활용 전망

•••이동헌 ‖ 고려대학교 부교수

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앞서 언급한 4대 양자 기술 분야 중에서 양자 센싱은 측정하려는 대상과 센서의 종류에

따라 다양하게 분류되기 때문에 공통된 정의를 내리기가 쉽지 않지만 일반적으로 큐비트

등의 양자 시스템을 이용하여 시간, 자기장 등의 물리량을 정밀하게 측정하는 기술을 뜻한

다([그림 1] 참조). 특히, 고전 시스템으로는 측정이 불가능한 미세한 신호를 양자 얽힘과

같은 양자 시스템만의 고유한 특성을 활용하여 더 나은 민감도와 분해능으로 측정할 수

있는 센싱 및 이미징 기술을 의미한다. 양자 센싱 개념 및 정의의 예를 [표 1]에 정리하였다.

[표 1] 양자 센싱 개념 및 정의

[양자 센서에 따른 분류]

[센싱 물리량에 따른 분류]

<자료> Science News, “Scientists are close to building a quantum computer that can beat a conventional one,” 2016.

[그림 1] 센서 종류 및 측정 물리량에 따른 다양한 양자 센싱 기술

개념 및 정의 참고문헌

양자시스템(예, 큐비트) 또는 양자결맞음(예, 중첩)을 이용하여 물리량(예, 온도, 자기장)을 측정하는 기술 [2]

양자얽힘(entanglement), 압착(squeezing) 등 양자특성을 이용하여 물리량을 양자한계(standard quantum limit) 이하로 측정하는 기술 [2]

고전시스템만을 사용했을 때 얻을 수 있는 것보다 더 나은 민감도와 분해능을 얻기 위해 양자얽힘과 같은 양자특성을 활용하는 기술 [3]

기존 센서/이미징의 정밀도를 획기적으로 개선하고 새로운 초정밀 양자센서/이미징 산업을 창출할 수 있는 기술을 포함 [3]

<자료> 참고문헌 내용 정리

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따라서, 양자 센서는 궁극적으로 고전 센서의 한계인 표준양자한계(Standard Quantum

Limit)을 뛰어 넘어 측정이 가능해야 한다. 흔히 양자 컴퓨팅 분야에서 고전 슈퍼컴퓨터에

비해 획기적으로 연산 시간을 줄이는 것을 양자우월성(Quantum Supremacy)이라고 하

는데 양자 센싱 분야에서는 표준양자한계 이하의 초정밀 측정이 이에 해당한다고 하겠

다.1)

큐비트 등의 양자 상태를 정밀하게 계측하는 것은 모든 양자 기술의 토대가 되기 때문에

양자 센싱 기술의 발전은 양자 컴퓨팅, 양자 통신과 같은 중장기 대형 기술 실현에 마중물

역할을 할 수 있다. 뿐만 아니라 다양한 센서 분야에 활용 가능하기 때문에 ICT, 산업,

의료, 국방 등 여러 분야에 걸쳐 폭넓은 파급효과를 미칠 수 있다.

본 고에서는 II장에서 기본적인 양자 센서의 작동원리, III장에서 몇 가지 대표적인 양자

센서의 활용 예를 각각 소개하고, IV장에서 국내외 연구 동향 및 활용 전망을 살펴본 후

V장에서 결론을 맺고자 한다.

II. 양자 센서의 작동원리

기본적인 양자 센싱 과정은 센서의 초기화, 대상 신호와의 상호작용, 센서의 최종 상태

1) 양자 센싱도 궁극적으로는 하이젠베르크 한계 이하는 측정 불가능함

[양자 컴퓨팅/양자 우월성] [양자 센싱/양자 한계]

<자료> 고려대학교 자체 작성

[그림 2] 양자 컴퓨팅에서의 양자우월성과 양자 센싱에서의 양자한계

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측정으로 크게 나뉜다. 이때 관건은 센서와 대상 신호 사이의 상호작용을 통해 발생하는

미세한 양자 위상 변화(Quantum Phase Accumulation)를 얼마나 정밀하게 측정할 수

있느냐는 것이다. 따라서, 단위시간 당 측정할 수 있는 최소 신호 세기를 뜻하는 민감도

(Sensitivity)는 양자 센서의 성능을 평가하는 중요한 척도(Figure of Merit)이다. [그림

3]은 큐비트를 이용한 양자 센싱의 기본 작동원리를 보여준다. 큐비트는 만큼의

에너지 차이를 갖는 0, 1의 양자 상태로 이루어진 two-level system이고 다양한 게이트

제어를 통해 0과 1 사이의 임의의 중첩 상태를 만들 수 있다. 외부 타깃으로부터 발생하는

신호에 의해 큐비트 상태가 시간에 따라 변화하고 이에 따른 0, 1 사이의 상대적인 위상

변화를 측정함으로써 대상 신호의 크기, 주파수 등의 정보를 얻게 된다. 또한, 양자 상태가

확률적으로 주어지기 때문에 이를 여러 번 반복하여 의미있는 평균값을 얻는다.

따라서, 일반적인 양자 센싱 프로토콜 과정은 ① 센서 큐비트 초기화(예; 0 상태), ②

임의의 중첩 상태로 변환(예; 0과 1이 50:50으로 중첩된 상태), ③ 신호와의 상호작용으로

<자료> C. L. Degen, F. Reinhard, P. Cappellaro, “Quantum Sensing,” Reviews of Modern Physics 89, 0034-6861, 2017(우측그림: 순서도).

[그림 3] 일반적인 양자 센싱 프로세스

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인한 큐비트 상태 변화(예; 자기장 신호의 경우 Zeeman 효과로 인해 스핀 큐비트가

Bloch sphere 적도를 따라 회전하게 됨), ④ 큐비트 상태를 읽어 들일 수 있게 변환,

⑤ 투사 측정(projection readout)을 통해 0, 1 큐비트 상대를 확률적으로 측정, ⑥ ①~

⑤ 과정을 반복하여 의미 있는 평균값 확보, ⑦ 측정 평균값으로부터 신호 크기, 방향,

주파수 등을 추정하는 총 7단계의 과정으로 이루어진다[2].

이때, 타깃 신호의 주파수 대역에 따라 ②~④ 과정에 상이한 종류의 센싱 프로토콜이

사용된다. 예를 들어, DC 신호의 경우 ESR(Electron Spin Resonance)/NMR(Nuclear

Magnetic Resonance) spectroscopy, Ramsey interferometry와 같은 방법들이 주

로 사용되며, AC 신호의 경우 Hahn echo, CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill),

XY8 등과 같은 dynamical decoupling sequences나 T1 relaxometry와 같은 noise

spectroscopy 방법들이 주로 사용된다[2]. [그림 4, 5]는 대표적인 DC, AC 센싱 프로토

콜인 Ramsey interferometry와 Hahn echo를 보여준다. Ramsey interferometry의

경우 큐비트 초기화 이후 펄스를 가해주어 0과 1이 동일하게 중첩된 상태로 만든다.

만큼의 시간을 기다려 큐비트가 free precession하게 한 이후 다시 펄스를 가해주

<자료> 고려대학교 자체 작성

[그림 4] Ramsey 기반 DC 신호 센싱

<자료> 고려대학교 자체 작성

[그림 5] Hahn echo 기반 AC 신호 센싱

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어 큐비트의 양자화(quantization) 방향으로 투사하여 0, 1 상태를 읽어 들인다. DC 자

기장이 있는 경우 스핀 큐비트의 에너지가 제이만(Zeeman) 효과로 인해 변화하게 되는

데 이에 따라 Ramsey interferometry의 진동주기 또한 바뀌게 되고 이를 통해 DC 자기

장의 크기를 알 수 있다.

반면, AC 신호의 경우는 해당 주파수의 신호만 읽어 들이고 다른 주파수 대역의 잡음은

걸러냄으로써(Narrow Bandwidth Filtering) 잡음 대비 신호비(SNR)을 높이는 방법이

사용된다. 예를 들어, Hahn echo의 경우 두 펄스 사이 중간지점에 펄스를 가해주

어 큐비트의 변화(evolution) 방향을 펄스 전후로 바꿔줌으로써 해당 주파수(주기 2에

해당)의 신호만 메아리되어 남기고 다른 주파수의 잡음은 상쇄시킨다. [그림 5]에서처럼

AC 신호의 주기 2의 홀수 배에 해당하는 곳에서만 신호가 관측되게 된다.

이외에도 앙상블 센싱, 양자얽힘 상태 기반 센싱, 양자 메모리 센싱, 적응(adaptive)

센싱 등 다양한 양자 알고리즘과 차세대 센싱 프로토콜들이 연구, 개발되고 있다[2].

III. 양자 센서의 활용 예

[그림 1]에서처럼 양자 센서의 종류와 이를 이용하여 측정할 수 있는 물리량은 매우

다양하며 특정 물리량에 최적화된 양자 센서가 존재한다. III장에서는 대표적인 양자 센서

의 활용 예를 살펴보고자 한다. 더 자세한 내용은 [표 2]에 정리하였다.

[표 2] 양자 센서 종류

대분류 소분류 큐빗 측정하는 양 진동수 초기화 상태 읽기

중성 원자원자 증기 원자 스핀 자기장, 회전,

시간/진동수 dc–GHz 광학 광학

차가운 구름 원자 스핀 자기장, 가속도, 시간/진동수 dc–GHz 광학 광학

갇힌 이온 -수명이 긴 전자

상태시간/진동수 THz 광학 광학

회전 - 광학 광학

진동 모드 전기장, 힘 MHz 광학 광학

리드버그 원자 - 리드버그 상태 전기장 dc, GHz 광학 광학

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힘, 관성, 변위를 측정하는데 사용되는 양자 센서의 대표적인 예가 중력계이다. 중력계(gravimeter)는 중력가속도 변화를 정밀하게 측정하는 계측 장치이다. 대표적으로 광학간섭계와 원자간섭계가 있다. 원자간섭계 같은 양자 중력 센서를 활용하면 휴대, 이동 가능한 소형 중력계 제작이 가능하고 국소 지역에 따른 작은 중력가속도 변화를 정밀하게 측정할 수 있다[4],[5]. [그림 6]은 소형 원자 중력 센서와 이를 활용한 도시 지역 내 중력가속도 구배를 측정한 예를 보여준다[4]. 따라서, 양자 중력 센서는 화산, 지진 활동과 같은 지구물리학 분야로부터 광물, 석유 등의 지하 매장량 분석, 싱크홀, 건물 지반 안정성 등의 도시 건설 현장에 이르기까지 광범위한 분야에 활용 가능할 것으로 기대된다.

회전각, 회전각속도를 측정하는데 사용되는 센서의 대표적인 예는 자이로스코프이다. 자이로스코프(gyroscope)는 주로 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)나 링 레이저 형태의 센서가 많이 사용되어 왔는데 최근 원자, 스핀 큐비트 기반의 양자 센서

대분류 소분류 큐빗 측정하는 양 진동수 초기화 상태 읽기

고체 스핀 (앙상블)

NMR 센서 핵 스핀 자기장 dc 열 픽업 코일

NV 센터 앙상블 전자 스핀 자기장, 전기장, 온도, 압력, 회전 dc–GHz 광학 광학

고체 스핀 (단일 스핀)

Si 반도체의 P 도너 전자 스핀 자기장 dc–GHz 열 전기

반도체 양자 점 전자 스핀 자기장, 전기장 dc–GHz 전기, 광학 전기, 광학

단일 NV 센터 전자 스핀 자기장, 전기장, 온도, 압력, 회전 dc–GHz 광학 광학

초전도 회로

SQUID 초전류 자기장 dc–GHz 열 전기

Flux 큐빗 순환 전류 자기장 dc-GHz 열 전기

전하 큐빗 전하 고유상태 전기장 dc–GHz 열 전기

기본 입자뮤온 뮤온 스핀 자기장 dc 방사성 붕괴 방사성 붕괴

중성자 핵스핀 자기장, 포논 밀도, 중력 dc 브래그 산란 브래그 산란

기타 센서

SET 전하 고유상태 전기장 dc–MHz 열 전기

광역학계 포논 힘, 가속도, 질량, 자기장, 전압 - - -

간섭계 광자(원자, 분자) 변위, 굴절률 - - -

<자료> C. L. Degen, F. Reinhard, P. Cappellaro, “Quantum Sensing,” Reviews of Modern Physics 89, 0034-6861, 2017.

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연구가 활발히 진행되면서 크기는 더 작지만 더 큰 민감도의 센서로 주목을 받고 있다[6]. [표 3]은 다양한 자이로스코프 센서의 크기와 민감도를 비교한 표이다. 자이로스코프 양자 센서는 항해, 항공, 무인자동차, 드론, 로봇에 이르기까지 다양한 분야에서 활용 가능할 것으로 기대된다.

[표 3] 양자 자이로스코프 회전민감도, 센서 크기 비교

자기장 크기 및 방향을 측정하는데 사용되는 센서인 자력계(Magnetometer)는 Hall

probe, MEMS 형태의 고전 센서로부터 SQUID(Superconducting Quantum Interface

Device), 원자증기 셀(Atomic Vapor Cell), 다이아몬드 NV센터의 양자 센서에 이르기

자이로스코프 종류 회전 민감도 (deg ) 센서 크기()

MEMS 3×10-2 150

링 레이저 6×10-5 1×10-6

Cold atoms(양자센서) 5×10-6 ~ 109

NMR(양자센서) 2×10-5 > 103

다이아몬드 NV센터(양자센서) 5×10-4 1

<자료> A. Ajoy and P. Cappellaro, “Stable three-axis nulcear-spin gyroscope in diamond,” Physical Reveiw A 86, 062104,2012.

<자료> X. Wu et al., “Gravity surveys using a mobile atom interferometer,” Science Advances 5, eaax0800, 2019.

[그림 6] 미국 버클리대학 인근 중력가속도 구배 측정

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까지 다양하다[7]. 양자 자력센서를 사용하면 높은 공간 분해능과 높은 자기장 민감도를

동시에 만족할 수 있어 다양한 분야에 활용이 가능할 것으로 기대된다. [그림 7]은 다양한

자력계를 공간 분해능과 자기장 민감도에 따라 나타낸 그래프이다[7]. 표준양자한계에 도

달한 양자 센서들을 다수 볼 수 있으며 공간 분해능, 센서 크기에 부합하는 적절한 양자

센서를 사용할 수 있다. 양자 자력 센서는 관성측정장치(Inertial Measurement Unit:

IMU)에 사용되는 지자기장 보정, 자성 메모리 디바이스 내 국소 자기장 분석으로부터

뇌자도 측정(Magnetoencephalography: MEG), 나노 자기공명영상(Magnetic Resonance

Imaging: MRI)에 이르기까지 광범위한 분야에 활용 가능성이 높다.

산업, 의료 분야에서 실용화를 앞두고 있는 대표적인 양자 센서들의 예를 [그림 8~11]

에 나타내었다. [그림 8]의 휴대형 원자 중력 센서는 이미 상업용으로 출시된 제품이다[5].

[그림 9]는 원자 증기 셀로 이루어진 헬멧 형태의 MEG를 이용하여 뇌 활동에 따른 자기장

을 이미징한 연구결과이다[8]. 기존의 SQUID 기반의 거대 MEG 장치에 비해 소형화되고

휴대 가능하며 상온에서 구동 가능한 장점이 있다. [그림 10]은 NMR, MRI 측정에 사용되

는 DNP(Dynamic Nulcear Polarization) 장치로 기존의 장치가 저온(< 1K), 고자기장

(> 3T)에서 구동되는 반면 다이아몬드 NV센터로 이루어진 양자 센서의 경우 상온과 저자

기장(< 70mT)에서 사용 가능하다는 장점이 있다[9]. [그림 11]은 칩 형태의 원자시계이다

[10]. 원자시계를 이용하면 오차가 매우 작은(300억년에 1초 오차) 초정밀 시간 측정이

<자료> M. W. Mitchell and S. P. Alvarez, “Colloquium: Quantum limits to the energy resolution of magnetic field sensors,” Reviews of Modern Physics 92, 021001, 2020.

[그림 7] 양자 자기장 센서 민감도, 센서 크기 비교

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가능한데 이는 다른 양자 센서들의 기준점(reference)이 된다. 칩 형태로 공정이 가능한

원자시계는 양자 센서들과 하이브리드 형태로 결합이 가능하기 때문에 다른 양자 센서들

의 정밀도를 한층 더 높여줄 것으로 기대된다.

IV. 국내외 연구 동향 및 활용 전망

양자 센싱을 비롯한 양자 기술 전반에 대한 급증하는 관심으로 인해 최근 몇 년 사이에 국내외 정부 출연 연구비와 기업 R&D 투자 규모도 급격히 늘어나는 추세이다. 먼저 국가별 연구비 규모를 살펴보면, 미국의 경우 2019년부터 10년 동안 National Quantum Initiative를 통해 양자 기술 전 분야에 1.5조 원 가량(전반기 5년)을 투자한다[11]. 유럽

<자료> V. Menoret et al. Scientific Reports, 2018.

[그림 8] 원자 중력 센서

<자료> E. Boto et al. Nature, 2018.

[그림 9] 뇌자기장 이미징(MEG) 양자 센서

<자료> A. Ajoy et al. Rev. of Sci. Instr., 2020.

[그림 10] 다이아몬드 NV 센터 NMR 센서

<자료> S. Knappe et al. Appl. Phys. Letts., 2004.

[그림 11] 칩 스케일 원자시계

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연합의 경우 Quantum Technologies Flagship을 통해 2018년부터 10년 동안 총 1.3조 원의 연구비를 지원하며 광기반 양자시계, 원자 증기 셀 기반 각속도/자기장/시계, 다이아몬드 NV센터 기반 MRI 이미징, 다이아몬드 NV센터 기반 자기장/전기장/온도/압력 센서 등의 총 4개 양자 센싱 프로젝트를 지원한다[12]. 영국의 경우 Quantum Technology Hub를 통해 2014년부터 10년 동안 총 4,000억 원 규모의 지원을 하고 있으며 중력계, 자력계, 자이로스코프, 원자시계, 양자 이미징 등 총 12개의 양자 센싱 프로젝트를 진행하고 있다[13]. 중국의 경우 2020년 오픈을 목표로 총 12조 원 규모의 National Lab for Quantum Information Sciences 거대 연구센터를 조성하고 양자 기술 전반에 대한 지원에 들어갈 계획이다[14]. 우리나라의 경우 2019년부터 연구재단, IITP 주관으로 양자 기술 전 분야에서 약 5년간 총 1,000억 원 가량의 지원이 이루어질 계획이며 중력계, 자력계, 이미징, 광원 등 5개 양자 센싱 프로젝트를 진행 중에 있다. 또한, 양자정보 분야 초기 생태계 확보 정도와 국내외 연구 추이를 바탕으로 연구비 규모를 확대해 나갈 것으로 기대된다.

2019년 1조 원 가량인 양자 센서 세계 시장 규모는 10년 후인 2028년에는 약 2.5조

원 규모로 성장할 것으로 기대된다[15]. 양자자력계, 원자시계 등이 양자 센서 시장을 주

도할 것으로 예상되는 가운데, 양자 센서는 항해/운송, 의료 등을 중심으로 산업, 의료

전반에 걸쳐 수요가 증가할 것으로 예상된다.

V. 결론

본 고에서는 양자 기술 중 하나인 양자 센싱에 대한 기본적인 측정 원리, 활용 예, 국내

외 연구 및 시장 동향을 간략히 살펴보았다. 다른 양자 기술과 마찬가지로 양자 센싱은

잠재력이 높은 차세대 기술이면서 동시에 해결해야 할 문제들이 산적해 있는 신생 미개척

분야이다. 고전 센서와는 근본적으로 다른 작동원리로 인해 고전 센서가 가지는 한계점을

뛰어넘는 초정밀 센싱이 궁극적으로 가능하지만, 동시에 깨지기 쉬운 양자 특성을 유지하

면서 센싱할 수 있는 높은 차원의 제어 기술이 요구된다. 따라서, 진정한 의미의 양자

센서가 상용화되는 데까지는 상당 기간이 필요할 것으로 보이며 당분간은 새로운 플랫폼,

소형화, 저자기장 등이 필요한 니치 마켓을 대상으로 기존 센서들이 차지하고 있는 시장에

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정보통신기획평가원 13

서 혁신 기술로 활용되거나 기존 센서와 병행하여 상호보완적으로 사용될 것으로 전망된

다. 뿐만 아니라, 반도체 개발 역사에서 상용 컴퓨터가 출시되기 이전에 광전지(photocell)

등과 같은 센서들이 먼저 개발되어 다양한 분야에 앞서 활용되었던 것처럼 양자 센서가

다른 양자 기술 실현에 마중물 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다[2]. 이러한 중요성을

인지하여 우리나라도 정부 및 기업 차원에서 지속적인 투자와 연구/개발 노력이 이루어지

길 기대해 본다.

[ 참고문헌 ]

[1] Science News, “Scientists are close to building a quantum computer that can beat a conventional one,” 2016.

[2] C. L. Degen, F. Reinhard, P. Cappellaro, “Quantum Sensing,” Reviews of Modern Physics 89, 0034-6861, 2017.

[3] 정보통신기술진흥센터 ICT R&D 기술로드맵 2023.[4] X. Wu et al., “Gravity surveys using a mobile atom interferometer,” Science Advances

5, eaax0800, 2019.[5] V. Menoret et al., “Gravity measurements below 10−9 g with a transportable absolute

quantum gravimeter,” Scientific Reports 8, 12300, 2018.[6] A. Ajoy and P. Cappellaro, “Stable three-axis nulcear-spin gyroscope in diamond,”

Physical Reveiw A 86, 062104, 2012.[7] M. W. Mitchell and S. P. Alvarez, “Colloquium: Quantum limits to the energy resolution

of magnetic field sensors,” Reviews of Modern Physics 92, 021001, 2020.[8] E. Boto et al., “Moving magnetoencephalography towards real-world applications with a

wearable system,” Nature 555, 657, 2018.[9] A. Ajoy et al., “Room temperature ‘nanodiamond hyperpolarizer’: Physics, design, and

operation,” Review of Scientific Instruments 91, 023106, 2020.[10] S. Knappe et al., “A microfabricated atomic clock,” Applied Physics Letters 85,

1460-1462, 2004.[11] M. G. Raymer and C. Monroe, “The US National Quantum Initiative,” Quantum Sci.

Technol. 4, 020504, 2019.[12] A. Acin et al., “The quantum technologies roadmap:a European community view,” New

J. Phys. 20, 080201, 2018.[13] UK National Quantum Technology Hub Sensors and Metrology Annual Report 2015-16.[14] Q. Zhang et al., “Quantum information research in China,” Quantum Sci. Technol. 4,

040503, 2019.[15] Inside Quantum Technology, “Quantum Sensors: Ten-Year Market Projection,” 2019.