전기전자/정보통신

NTT기술저널_2017.05. 특집요약 (p6~10)

양자 정보처리 기술에 신시대의 도래
[양자정보처리] [양자계산] [양자암호키 분배(QKD)]
Hiroshi Yamaguchi 외 1인 / NTT 물성과학기초연구소

오늘날 Ising 모형 양자 계산이나 양자 센싱, Topological 양자 계산 등, 지금까지와는 전혀 다른 개념이 양자 정보처리 기술 연구에 도입되어, 기존의 어프로치보다 현실성이 높은 다양한 응용 기술이 제안되고 있다. 본고에서는 이와 관련하여 NTT연구소에서 시행되고 있는 연구 성과를 예로 하여, 최신 양자 정보처리 기술의 진전에 대해 소개 한다.

-- 양자정보처리기술의 진전 --
여러분은「양자」라는 말에서 어떤 이미지를 떠올리는가? 대학에서 양자론을 전문적으로 공부한 사람을 제외하면, 가령 이과 출신이라도「불가사의하고 확실하지 않은 것」이라고 느끼는 사람이 많을 것이다. 우리들은 지금까지 다양한 측면에서「양자」라는 것을 연구하고, 어느 정도는 이해하고 있다고 생각했는데, 아주 깊이 생각해보면 역시 항상「불가사의한」인상을 받는다. 교과서에 의하면,「양자」의 세계에서는 물질∙물체의 위치나 속도 등은 확정되어 있지 않으며, 그들의 확률만이 법칙에 의해 예언될 수 있다고 설명하고 있다. 또한, 우리들이 실감할 수 있는 현실 세계를「고전」이라고 부르며, 그것은「양자」세계의 불과 하나의 측면에 지나지 않는다고 결론짓고 있다. 이처럼 현실의 세계와「양자」의 세계가 너무 떨어져 있기 때문에,「양자」가 원래 어떠한 효과나 이익을 초래하는가를 직감적으로 이해하는 것이 곤란하여「불가사의하고 확실하지 않은 것」으로 느끼는 것이라고 생각한다.

-- 이징 모형 양자계산 --
원래 양자계산이라고 하면「인수분해를 고속으로 할 수 있어 현재의 RSA 암호 기술이 파탄하는 것은 아닐까?」라는 생각이 큰 모티베이션이었다. 이 주장은, 뒤집어 말하면 실은 양자계산의 약점을 표현하고 있다. 즉, 왜 인수분해에 대해 언급할 필요가 있는가? 그것은 양자계산에서 고속으로 풀 수 있는 문제는 상당히 한정되어 있기 때문이다. 고속성이 증명된 알고리즘은, 상당히 자명한 것을 포함해도 몇 종류밖에 존재하지 않는다. 따라서 설령 양자계산의 하드웨어 기술이 크게 발전했다고 해도, 범용성을 자랑하는 현재의 PC가 모두 양자컴퓨터로 대체되는 일은 있을 수 없는 일이라고 생각된다. 이 기존의 양자계산 방법은 게이트형 양자계산이라고 불린다. 게이트형 계산은 양자비트에 비트 정보를 입력, 이에 대해 순서대로 게이트 조작(양자역학에서 부르는 유니터리 변환)을 함으로써 답을 얻는 것이다. 이 방법은 현재의 컴퓨터가 실행하는 연산 순서와 유사하며, 이해하기 쉬운 개념이다. 한편, 양자비트에 입력된 비트 정보를 처음부터 마지막까지 정확하게 유지하여 조작할 필요가 있으며, 현재의 하드웨어로는 대규모화가 간단하지 않다.

-- 양자센싱 기술과 양자역학의 원리실증실험 --
양자컴퓨터의 실현을 위해 지금까지 다양한 양자비트의 개발이 이루어져 왔다. 이들 양자비트는 다중화, 집적화를 염두에 두고 연구된 것으로, 장기적으로는 수천, 수만 비트 혹은 그 이상의 많은 양자비트를 연대하여 동작할 필요가 있었다. 양자컴퓨터의 개발이 어렵다고 생각했던 이유는, 이처럼 다수의 집적화가 간단하지 않다는 사정 때문이다. 그러나 최근에는 다수의 양자비트를 이용하지 않고, 소수의 양자비트로 응용 기술을 개척하는 시도가 시행되고 있다.

지금까지는 양자 정보처리 기술은, 우선은 양자암호키 분배(QKD), 그것이 가능해지면 다음은 양자계산, 이런 식의 직선적 연구 개발의 진전을 생각했었다. 이 직선적인 개발 로드맵에 있어서는 다수의 양자비트의 집적화가 반드시 필요하다. 그러나 현재로서는 보다 적은 수의 양자비트로 실현할 수 있는 다양한 목적에도 양자 기술은 사용할 수 있는 것이 아닌가라는 인식이 있다. 예를 들면, 양자 센싱 기술이 그 전형적인 예다. 양자역학적인 중합원리를 사용하면, 지금까지와는 차원이 다른 높은 감도의 센싱 기술을 실현할 수 있다. 이것은 양자비트끼리가 갖는 어떤 종류의 강한 상호작용(이른바 양자 상관)을 이용함으로써, 외부 환경의 변화에 대해 매우 민감한 상태를 만들어 낼 수 있는 점을 활용한 기술이다.

-- 양자암호와 단일광자 조작 기술 --
양자계산과 함께 항상 화제가 되는 양자 정보처리 기술에는 양자 암호 기술이 있다. 이 기술은 정확하게는 양자암호키 분배 기술이라고 부르는 것으로, 암호화 자체를 시행하는 기술이라기 보다는, 통상의 암호화 기술에 있어서 비밀키를 어떻게 안전하게 유저에게 배송하는가와 같은 과제에 대답을 주는 것이다. 순수한 양자 상태는 관측 행위에 의한 상태에의 소란을 본질적으로 피할 수 없다. 때문에 키의 분배 단계에 있어서 도청의 영향을 본질적으로 지울 수 없다는 특수성을 사용하여, 안전하게 비밀키 배송을 실현하는 것이다.

-- 양자 정보처리를 위한 Topological 재료 기술의 전개 --
마지막으로 Topological 양자 계산을 위한 재료연구에 대해 소개한다. 2016년 노벨 물리학상은「물질의 Topological 상(相)과 Topological 상 전이의 이론적 발견」으로, 미국 대학 소속의 3명의 이론연구자가 수상하였다. Topology란 일본어로 위상기하학이라고 부르는 것으로, 물체의 상태를「사물의 연결」로 이해하는 학문이다. 예를 들면 볼과 커피잔, 도넛과 와인잔의 4개의 모양을 생각해 보자. Topology에 있어서는, 모양의 대소나 휘어진 모양은 중요하지 않다. 중요한 것은 그 연결 방식이다.

커피잔과 도넛, 와인잔과 볼은, 각각 연속적인 변형에 의해 변화할 수 있지만, 도넛(혹은 커피잔)에서 와인잔(혹은 볼)으로 변형하기 위해서는 반드시「구멍을 채우는」변형을 어딘가에서 반드시 시행하여야 하며, 그 단계에서 사물의 연결 방식이 변하게 된다. 이처럼 연결 방식, 즉 Topology가 다른 상태는 물체만이 아니라 다양한 물리계에 있어서 나타난다는 사실이 알려져 있다. 그 대표적인 예가 전자이며, 위의 노벨상은 그와 같은 Topology가 다른 전자의 상태가, 고체물성에 있어서 극히 중요한 역할을 담당한다는 사실을 나타낸 것이었다.

-- 앞으로의 과제 --
이상으로 최신의 양자 정보처리 기술의 진전에 대해, NTT연구소에서 행해지고 있는 연구 성과를 예로 들어 개설하였다. 앞에서 언급한 대로, 최근 몇 년간에 있어서 양자 정보처리 연구는 놀랄만한 발전을 하였다. 이징 모형 계산, 양자 계측, Topological 상태 등 지금까지와는 다른 개념이 도입되면서 기존의 게이트형 양자 계산과는 다른 시점에 의한 응용 가능성이 확대되었다. 특히 이징 모형 계산 방법은 양자성이 실제 하드웨어에서 어느 정도 활용이 가능한가라는 점에 대해 다양한 논의가 있다. 그러나 지금까지의 게이트형과는 다른 아키텍처로 문제를 해결하는 것으로, 향후 발전이 크게 주목된다.

  -- 끝 --