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Start Up Innovation / Science
‘양자인터넷’ 실현 가까워져
NTT와 오사카대학 등, 궁극의 정보 처리

NTT와 오사카대학 등은 양자역학을 응용한 지구 규모의 네트워크 ‘양자인터넷’의 실현을 목표로 새로운 원리를 실증했다. 지금까지 400km 이상의 전송은 어렵다고 알려져 있었지만 새로운 방식을 통해 2배 정도의 거리를 전송할 수 있는 기술 개발의 가능성을 높였다. 특별한 물질을 이용하지 않고 기존의 광디바이스만으로 실현 가능하다는 점도 큰 진전이라고 할 수 있다.

-- NTT∙오사카대학 등, 전송 거리 확대 --
양자인터넷이란 ‘꿈의 초고속계산기’라고 일컬어지고 있는 양자컴퓨터가 네트워크를 통해 연결되어 계산 능력이 더욱 강력해지는 시스템이다. 원자보다도 작은 세계의 물리법칙을 나타내는 양자역학을 응용한 암호 기술인 ‘양자암호(Quantum Cryptography)’를 통신을 이용해 주고받을 수 있게 된다. “양자역학에서 말하는 ‘중첩상태’를 먼 곳에 전송할 수 있는 것으로 정보 처리의 궁극적 형태다”라고 이번 실증 실험을 추진한 오사카대학의 야마모토(山本) 교수는 말한다.

기존의 컴퓨터로 다뤄지는 정보는 ‘0’과 ‘1’로 표시되는 1비트를 최소 단위로써 이용, 그 조합을 통해 문자와 영상, 연산 등을 처리한다.

-- 지금까지는 400km가 한계 --
양자컴퓨터에서 취급되는 정보의 단위는 ‘0’과 ‘1’이 다 될 수 있는 ‘중첩상태’이다. 이러한 상태를 이용함으로써 병렬로 다수의 계산이 가능해져 기존 컴퓨터를 훨씬 능가하는 고속 계산이 가능하다. 이와 같은 양자 상태를 거리에 상관 없이 전송할 수 있는 네트워크가 바로 양자인터넷이다.

NTT 물성과학기초연구소의 아즈마(東) 주임연구원은 “양자인터넷은 빛의 상태를 양자 상태로서 전송하는 방법이 유망하다. 하지만 광섬유 안의 빛은 거리가 멀어질수록 손실이 커 지금까지는 400km정도의 전송이 한계였다”라고 말한다.

이를 해결할 열쇠가 되는 것이 양자 상태를 전송하는 거리를 늘리기 위한 중계기(中繼器)이다. “양자인터넷을 연구하는 것은 양자 중계를 연구하는 것이 된다”라고 오사카대학의 야마모토 교수는 말한다. 최근 들어 중국과 유럽, 미국 등이 거액의 국가 예산을 투입해 양자인터넷의 전송 거리를 늘리기 위한 연구를 경쟁적으로 추진하고 있다고 한다.

지금까지 대부분의 양자 중계기 연구는 ‘물질양자메모리’라는 양자 상태를 일시적으로 유지할 수 있는 특정 물질 개발에 주력해왔다. 양자 상태의 송신지와 수신지 사이에 물질양자메모리를 배치. ‘양자 얽힘(Quantum Entanglement)’이라고 하는 양자역학의 특성을 활용해 양자 상태를 전송함으로써 전송 거리를 늘리는 방식이다.

물질양자메모리는 일부 분야에서 실현되고 있지만, “현실적으로 중계기로 이용할 수 있을 정도의 기술은 완성되지 않았다”라고 NTT 물성과학기초연구소의 아즈마 주임연구원은 지적한다. 양자 상태를 유지할 수 있는 시간이 겨우 1밀리초(ms)로 확률론적으로 밖에는 양자 상태를 전송할 수 없고 시간도 상당히 소요된다 등의 문제가 있다.

-- 광디바이스만으로 양자 중계 실현 --
NTT와 오사카대학 등은 물질양자메모리를 사용하지 않고 기존의 광디바이스만으로 양자 중계를 실현한다는 이론을 실증했다.

구체적으로는 중계 지점에 도달할 가능성이 있는 복수의 광자 사이에 사전에 ‘양자 얽힘’이라고 하는 양자역학적인 상관 관계를 만들어 놓는다.

손실 등으로 인해 중계 지점까지 도달하지 못하는 광 입자도 있지만 그럴 경우, 그 입자에 관련된 상관 관계를 계속 배제해 나가면 결과적으로 살아남은 광 입자만의 ‘양자 얽힘’ 상태가 남게 된다. 이러한 특성을 활용해 송신지에서 수신지로 양자 상태를 전송할 수 있다. NTT와 오사카대학 등의 실증 실험에서는 지금까지 이론적으로만 설명이 가능했던 방법을 처음으로 실험을 통해 확인할 수 있었다.

직감적으로는 잘 이해되지 않지만 이러한 신기한 현상은 양자역학의 세계에서는 흔히 일어난다. 아즈마 주임연구원은 “현재의 인터넷을 뒷받침하는 광섬유네트워크를 활용, 중계기를 바꾸는 것만으로 양자인터넷을 실현할 수 있다”라고 강조한다. 물질양자메모리는 극저온에서 다루지 않으면 안 되는 물질도 있다. 이번 방식의 경우, 상온에서 양자 중계기를 실현할 수 있다.

미국과 중국 등 세계 각국에서 경쟁적으로 연구 개발을 추진하고 있는 양자인터넷. 그 배경으로는 양자컴퓨터가 본격적으로 실용화된다면 현재 인터넷 등에서 이용되고 있는 암호 기술은 모두 무용지물이 된다는 사정도 있다.

최근 안전보장상의 정보 교류가 어려워질 것이라는 우려 속에 양자인터넷과 같은 새로운 통신 기술이 요구되고 있다. NTT와 오사카대학 등이 시행한 새로운 방식의 실증은 이러한 관점에서도 궁극의 네트워크 실현에 큰 희망이 될 성과라고 할 수 있다.

 -- 끝 --