히데토시 가토리(Hidetoshi Katori) 연구자 프로필 학력 나이 고향 노벨물리학상

학력

• 학사: 1988년 도쿄대학교 공학부 응용물리학과 졸업 
• 석사: 1990년 도쿄대학교 대학원 공학계연구과 응용물리학전공 공학석사 취득 
• 박사: 1994년 도쿄대학교 대학원 공학계연구과 응용물리학전공 공학박사(공학 doktor) 학위 취득 

경력
• 1991~1994: 도쿄대학교 공학부 응용물리학과 연구조교수(Research Associate) 재직 . 1994년 독일 막스 플랑크 양자광학 연구소 방문과학자로 연수 .
• 1997~1999: 일본 과학기술진흥기구(JST) 전략적基礎연구 프로그램 연구원 및 그룹리더 역임 .
• 1999~2010: 도쿄대학교 공학부 부교수(Associate Professor)로 임용 (1999년 협동공학부, 2005년부터 응용물리학과) .
• 2010~현재: 도쿄대학교 공학부 응용물리학과 정교수(Professor)로 재직 . 2017~2018년 도쿄대학교 포톤과학센터 소장 역임 .
• 2011~현재: RIKEN(일본 이화학연구소) 양자측정기술 연구실(Quantum Metrology Lab) 수석연구원 및 스페이스-타임 엔지니어링 연구팀 팀리더(20142025)・팀 디렉터(2025) 역임  .
• 2014~2022: 독일 튀빙겐 대학교 객원 석좌교수(Distinguished Guest Professor) 역임 .
• 2018~현재: 일본 과학기술진흥기구(JST) 미래사회창조사업 프로그램 매니저 (대형과제)로 활동 .
• 이 외에도 일본학사원 회원(2023년 선출) 등 학계 주요 직위를 맡고 있음 .

연구 분야 및 주제

히데토시 가토리 교수의 전문 분야는 광학 및 양자전자공학으로, 특히 원자시계와 초정밀 주파수 측정 분야에서 세계적인 선도 연구를 수행해 왔습니다. 그는 광격자시계(Optical Lattice Clock, 光格子時計) 개념을 2001년 처음 제안하고 2003년 실험적으로 구현한 것으로 유명합니다 . 광격자시계는 매직 파장(magic wavelength)의 레이저 광격자 속에 중성 원자를 가두어, 원자의 에너지 준위 전이에 해당하는 고유 진동수(“시계 주파수”)가 외부 교란 없이 측정되도록 한 혁신적 개념의 원자시계입니다 . 이 방법을 통해 다수의 원자를 동시에 측정하여統計적 평균을 냄으로써 짧은 시간에 높은 정밀도를 얻을 수 있습니다 .

광격자시계의 개념적 그림: 레이저 간섭으로 형성된 광학 격자(파란색 곡면)의 우묵한 부분에 중성 원자(붉은 구)를 가두어 배열한 모습. 각 원자는 “빛의 달걀틀” 속에서 움직임이 억제되어, 원자의 진동수를 초정밀 측정할 수 있다.

가토리 교수의 연구는 차세대 원자시계 개발을 통해 물리학의 기본 한계를 확장하는 데 기여하고 있습니다. 기존 세슘 원자시계가 약 10^15 (15자리) 정도의 상대정밀도를 갖는 데 비해, 가토리 교수팀이 개발한 광격자시계는 10^18 (18자리) 수준까지 시간 측정 정밀도를 끌어올렸습니다 . 이는 1초 오차가 수십억~수천억 년(우주의 나이보다 긴 시간)에 한 번 발생할 정도의 경이적인 정확도입니다  . 이러한 초정밀 시계를 이용하면 아인슈타인의 일반상대성이론에 따른 중력에 의한 시간지연(gravitational redshift) 효과를 일상적인 높이 차이에서도 검출할 수 있습니다. 실제로 가토리 교수 연구팀은 2020년 도쿄 스카이 트리 꼭대기와 지상 간의 높이 차이(약 450ｍ)에서 광격자시계를 이용해 중력에 따른 시간 흐름 차이를 측정해내어, 지상에서 일반상대성이론을 최고 정확도로 검증하는 데 성공했습니다 . 이는 광격자시계의 높은 성능과 잠재력을 입증한 성과로 평가됩니다. 가토리 그룹은 또한 광격자시계의 소형화 및 실용화 연구를 주도하여, 2024년에는 부피 250리터급의 이동형 광격자시계 개발에 성공하였습니다  . 이처럼 시간·주파수 측정 기술의 혁신을 통해, 향후 보다 정밀한 중력계측(지각 변동 모니터링), GPS 등 위치측정 정확도 향상, 차세대 초정밀 시각 정의(秒의 재정의) 등에 이바지하는 연구를 활발히 전개하고 있습니다  .

주요 논문 및 업적

가토리 교수는 광격자시계 개념을 확립하고 실증한 일련의 논문들로 잘 알려져 있습니다. 2005년 그가 이끄는 연구팀은 스트론튬-87 원자를 이용한 광격자시계의 동작을 최초로 시연하고 그 결과를 네이처(Nature) 지에 발표하였습니다 . 이 논문 “An optical lattice clock” 은 광격자시계의 초협대선폭 및 높은 안정도를 보고한 획기적인 성과로, 이후 해당 분야에서 800회 이상 인용되며 광시계 연구의 기념비적 업적으로 평가받고 있습니다. 또한 2011년에는 광격자시계를 이용한 광주파수 출력의 안정화와 절대주파수 측정에서 10^-17 수준의 불확도를 달성한 연구를 발표하여, 광시계의 실용 표준으로서 가능성을 보여주었습니다. 최근에는 앞서 언급된 도쿄 스카이 트리에서의 중력 적색편이 측정 결과를 포함하여, 광격자시계를 활용한 중력측정(相対論的 지오데지)과 기초물리 상수 검증 연구로 영역을 넓히고 있습니다. 이 밖에도 가토리 교수는 다수의 리뷰 논문과 국제 학회 초청강연을 통해 광격자시계의 물리와 응용을 정리·소개함으로써, 전세계 관련 연구를 선도하고 있습니다.

수상 이력

가토리 교수의 업적은 국내외에서 높이 인정받아 다수의 권위 있는 학술상을 수상하였습니다. 아래는 그 중 주요 수상 경력입니다
• 국제적 수상 및 영예:
• 줄리어스 슈프링거 응용물리학상 (Julius Springer Prize, 2005) – 초정밀 광시계 연구의 개척적 성과에 대한 인정 .
• 유럽 시간·주파수상 (European Time and Frequency Award, 2005) – 광주파수 표준 분야 획기적 발전 공로 .
• 아이아이 라비상 (I. I. Rabi Award, IEEE IFCS, 2008) – 광격자시계의 발명 및 발전에 대한 공로 .
• 필리프 프란츠 폰 지볼트상 (Philipp Franz von Siebold-Preis, 2011, 독일) – 일본-독일 학술교류 공헌에 대한 표창 .
• 미키우스 양자상 (Micius Quantum Prize, 2020) – 양자과학 분야 혁신적 업적에 대한 국제상 수상 .
• 브레이크스루상 기초물리학 부문 (Breakthrough Prize in Fundamental Physics, 2022) – 광격자시계의 발명과 발전으로 자연의 기본 법칙 검증에 기여한 공로 . (공동수상: 미국 표준기술연구소 Jun Ye 박사)
• 혼다상 (Honda Prize, 2022) – “300억년에 1초 오차” 광격자시계의 창안으로 인류생활에 이바지한 공헌 .
• 국내 주요 수상:
• 일본학술진흥회상 (JSPS상, 2005) – 광격자시계를 이용한 초정밀 원자시계 개발 업적 .
• 아사히상 (朝日賞, 2011) – 광격자시계 연구에 대한 공로 .
• 니시나 기념상 (仁科記念賞, 2013) – 광격자시계의 창안 및 구현에 대한 공적 .
• 자수포장 (일본 정부 훈장, 2014) – 양자전자공학 분야 연구 업적에 따른 정부 포상 .
• 일본 학사원상 (2015) – 광격자시계의 발명과 발전에 대한 공로 .
• 레오 에사키상 (Esaki Prize, 2017) – 고정밀 광격자시계의 실현과 응용에 대한 공헌 .

이 밖에도 가토리 교수는 마루분 학술상(2006) , IBM 일본 과학상(2006) , 이치무라 아카데미상(2010) , 광·양자전자공학 업적상(다쿠마상, 2011)  등 다수의 상을 수상하였습니다.

노벨 물리학상 후보로 언급된 이유

히데토시 가토리 교수는 노벨 물리학상 후보로 자주 거론되는 일본인 과학자 중 한 명입니다. 그가 노벨상급으로 평가받는 이유는 무엇보다도 광격자시계의 발명과 이를 통한 기초과학 기여에 있습니다. 가토리 교수의 광격자시계는 시간측정의 정확도를 기존 대비 수백배~수천배 향상시켜 준 획기적 발명으로서, 계측과학의 한계를 극복하고 중력파 검출, 지구과학, 우주론 등 광범위한 분야에 파급효과를 미치고 있습니다  . 특히 광격자시계를 이용한 상대성이론 검증과 중력장 측정은 기존에 불가능하던 실험들을 가능하게 함으로써 물리학의 지평을 넓혔다는 평가를 받습니다. 이러한 공로로 가토리 교수는 2022년 기초물리학 브레이크스루상을 수상하였는데, 브레이크스루상은 노벨상의 전초전이라 불릴 만큼 해당 연구의 노벨상级 가치를 인정받았음을 의미합니다  . 일본 언론과 과학계에서도 가토리 교수가 개발한 광격자시계를 가리켜 “노벨상급 발명”이라고 평하고 있으며 , 매년 노벨상 시즌이 되면 그의 이름이 유력 후보 중 하나로 거론되고 있습니다 . 실제로 광격자시계 기술은 차세대 SI 단위 “초” 재정의의 가장 유력한 실현 수단으로 지목되고 있으며  , 이는 그의 연구가 물리학 기본단위의 개념을 바꾸는 혁신적 업적임을 보여줍니다. 이러한 이유들로 인해 히데토시 가토리 교수는 노벨 물리학상에 가장 가까운 연구자 중 한 명으로 국제 과학계의 기대를 모으고 있습니다.

출처: 도쿄대학교 가토리 연구실 자료  ; RIKEN 보도자료 ; JST 보도자료  ; Honda 재단 보도자료 ; Shimadzu Today 기사   외.