일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2023.12.6

2030년 양자인터넷의 실용화를 향해 개발 가속화
도시바, 양자암호통신에 주력

2030년대에 실용화될 것으로 기대되고 있는 양자인터넷을 목표로 요소기술에 강점을 가진 기업들이 개발을 가속화하고 있다. 도시바는 양자인터넷에 필수인 양자중계기기술 개발에서 선두를 달리고 있다. 후루카와전기공업(古河電気工業)과 하마마쓰(浜松)포토닉스도 기존의 통신 관련 기술을 활용한 개발을 추진하고 있다. 미래의 유망 시장을 가장 먼저 장악하기 위한 경쟁이 시작되고 있다.

-- 양자암호통신을 사업화 --
도시바는 양자키배송(QKD)과 양자암호통신에서 업계 최고 수준의 기술력을 가지고 있다. 최근에는 QKD의 상용 이용이 시작되고 있어 도시바는 관련 기술의 사업화를 서두르고 있다. 미래의 양자인터넷 실현에 필요한 ‘양자중계기술’ 개발도 추진하고 있다.

QKD는 양자기술을 이용해 암호키를 공유하는 기술로, 떨어진 거점 간 안전한 통신을 실현할 수 있다. 도시바는 2020년에 QKD 상용화를 발표. 2021년에는 송신기와 수신기 간에 양자암호 키를 통신할 수 있는 '칩 기반 양자암호통신 시스템' 실증에 세계 최초로 성공한 실적을 가지고 있다.

도시바는 해외 기업 및 연구기관과 연대해 고도의 양자암호통신 개발과 실증을 추진하고 있다. 예를 들면, 올 9월, 영국 케임브리지에 개설한 ‘양자기술센터’에서는 양자암호 장치 개발 및 상용화를 추진. 싱가포르의 SpeQtral과 위성통신을 사용한 QKD 실현을 위해 협업을 추진하고 있다. 미국 시카고대학을 중심으로 하는 연구 허브 ‘Chicago Quantum Exchange(CQE)’에도 참가해, 장거리 전송에 대한 실증실험도 진행하고 있다.

QKD 다음으로 도시바가 노리는 것은 양자중계기이다. 구체적으로는, 새로운 양자중계기술 ‘전광(全光)양자중계’ 개발을 추진한다. 양자중계기는 양자 상태를 이용해 현재의 QKD 시스템의 통신 거리 제약을 극복할 수 있고, 양자 상태를 파괴하지 않고 전송하는 양자인터넷 구현에도 필수적인 기술이다.

-- 양자 메모리를 사용하지 않는 양자중계 --
전광양자중계는 다광자 간 양자얽힘 상태를 이용함으로써 양자 메모리를 사용하지 않고 양자중계를 할 수 있다는 것이 특징이다. 단시간에 양자 순간 이동을 실행하기 때문에 양자 메모리를 사용하는 방식과 비교해 통신 레이트를 올릴 수 있는(고속 통신이 가능해지는) 이점도 있다. 전광양자중계는 비교적 새로운 기술로, 오사카대학 대학원 기초공학연구과의 야마모토(山本) 교수 등이 2019년 실험에 성공한 지 얼마 되지 않았다.

하지만, 다광자가 엉킨 상태를 만들어내는 것 자체가 매우 어려워, 현재는 양자점(양자 광원)을 통해 양자얽킴 광자를 안정적으로 생성하기 위한 기술 개발을 추진하고 있다. 도시바 연구개발센터 정보통신플랫폼연구소의 구지라오카(鯨岡) 엑스퍼트는 “높은 효율과 품질로 양자얽힘을 생성하는 것은 매우 도전적인 연구”라고 말한다.

증폭기 등 ‘고전적’인 중계기술을 응용하면 양자 상태가 없어져 버리기 때문에, 지금까지 쌓아온 기술을 그대로 활용할 수 없다. 광섬유를 사용해 빛의 파장을 통신 파장대에 대응시킬 필요가 있지만, 변환 효율로 인해 통신 레이트가 저하되어 버린다는 문제도 있다.

2025~2035년에 걸쳐 양자중계에 필요한 요소기술 개발과 양자암호통신 실증이 세계적으로 추진됨에 따라 2035년 이후에 양자인터넷 시대가 도래할 것으로 도시바는 예측하고 있다. 해결해야 할 과제는 여전히 많지만, 계산 능력 향상과 안전한 통신을 실현할 수 있다면 산업계의 수요는 높아질 것으로 보고 있다. 의료와 금융, 화학, 에너지와 같은 분야에서의 도입이 전망되고 있다.

-- 광섬유로 양자얽힘 광자 생성 --
양자암호통신 시스템은 광통신에 사용되는 광섬유나 송수신기 등 기존 기술을 응용할 수 있다는 이점이 있다. 반도체 레이저와 파장 변환 모듈 등 각종 통신 디바이스에서 높은 점유율을 가진 후루카와전기공업은 양자인터넷이 실현되는 시대를 내다보고 양자 관련 기술 개발을 추진하고 있다. 특히 주력하는 것은 양자중계에 필요한 양자얽힘 광자 발생 기술 개발이다.

새로운 양자통신기술로 기대되고 있는 ‘파장 다중 양자네트워크’는 여러 파장의 양자얽힘 광자를 활용해 복수의 유저를 동시에 연결할 수 있다. 후루카와전기공업은 도호쿠(東北)대학과의 공동연구를 통해 광섬유를 이용한 파장 다중의 양자얽힘 광원 개발에 성공했다.

구체적으로는, 광섬유에서 발생한 양자얽힘 광자를 광대역 특성을 활용해 파장의 다중화를 추진해 나간다. 이미 양자얽힘 광자의 10파장 다중을 확인했으며, 광대역의 광섬유를 사용해 각각의 채널에서 양자얽힘 광자의 품질을 균일화하고 있다. 향후, 양자얽힘 배신(配信)을 실증해나갈 계획이다. 후루카와전기공업은 2024년에 10쌍의 파장을 사용함으로써 네트워크 내 10명의 유저를 2명씩 양자적으로 접속할 수 있다는 것을 실증할 계획이다.

하지만, 파장 변환 효율과 양자 변환 효율이 낮다는 점 등, 해결해야 할 과제는 많다. 후루카와전기공업 연구개발본부의 아지무라(味村) 부장은 “양자기술 개발을 추진하는 기업은 아직 적다. 기술적인 장벽은 높지만, 미래의 양자통신에 필요한 기술을 먼저 개발해 양자네트워크가 실용화된 시대에 통신 시스템 등으로 사업을 확대하고 싶다”라고 설명한다.

-- 고감도 광자 검출기로 양자네트워크 지원 --
하마마쓰포토닉스는 독자적으로 개발한 고감도 광검출기를 양자컴퓨터와 양자네트워크 개발용으로 제공하고 있다. 하마마쓰포토닉스는 초전도를 이용해 고감도로 광자를 검출할 수 있는 ‘초전도 나노스트립 단일광자검출기(SSPD)’를 개발하고 있다. 이것은 광자가 입사하면 초전도 상태가 파괴되어 전기 저항이 생기는 것을 이용한 센서기술로, 양자네트워크의 광자 검출기로 응용할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

하마마쓰포토닉스는 다중화 광자를 검출할 수 있도록 SSPD 시스템의 다중화(다채널화)를 추진. 12채널의 시스템을 오사카대학과 와세다대학에 제공하고 있다. 이미 양자얽힘 검증 등에 이용되는 등 실적도 있다.

현재는 세계 최고 수준인 32채널의 SSPD 시스템 개발을 진행하고 있다. 시스템을 움직이려면 극저온의 환경이 필요하며, 하마마쓰포토닉스는 이미 냉각 시스템 개발에 성공했다. 향후에는 SSPD를 탑재해 특성 평가를 진행할 예정이다. 앞으로 계속해서 SSPD 시스템의 대규모화·고감도화를 추진해 양자컴퓨터 및 양자네트워크를 지원하는 용도로 응용해 나갈 방침이다.

<키워드>
양자키배송: 영어로는 Quantum Key Distribution(QKD). 네트워크상에서 암호키를 광 입자 한 개(광자)에 얹어 광섬유를 사용해 전송하는 암호통신기술로, 양자역학의 성질을 이용한 안전성이 높은 양자암호통신의 한 방식이다. 양자암호는 높은 안전성을 가지고 있어 악의를 가진 제3자가 어떠한 고속의 계산기를 사용해도 이론상으로는 해독할 수 없다고 알려져 있다.

세계에서 실증이 진행되고 있는 양자암호네트워크는 모두 고전 컴퓨터간을 연결하는 네트워크의 중계 지점에 ‘신뢰할 수 있는 노드(Trusted Node)’를 이용하는 방식이지만, 이 노드가 공격 당하면 개인키의 정보가 누출된다는 문제가 있어 향후에는 노드에 양자중계기를 도입하는 방법이 상정되고 있다.

미래에 양자컴퓨터간에 양자 상태를 주고받을 수 있는 양자인터넷이 실현되기까지의 단계적 기술이라고 할 수 있다. 기존의 네트워크 통신은 암호를 풀기 위한 비밀 키(암호키)를 암호 알고리즘으로 숨겨 인터넷으로 전송하지만, 양자컴퓨터 등 계산 능력이 높은 컴퓨터를 사용하면 암호키를 빼낼 수 있다는(암호의 해독) 문제가 있었다.

 -- 끝 --

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