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인류에게 새로운
양자기술을 만들어 나갑니다!
양자광학연구실 주정진 실장
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양자기술을 활용하면 기존 디지털 컴퓨터에 비해 엄청난 속도로 연산을 처리하고 대용량 정보를 안전하게 전송할 수 있다. 이번 호에서는 우리나라 최고의 양자 인터넷 기술 경쟁력을 보유한 ETRI의 양자광학연구실 주정진 실장을 만나보았다.
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양자 인터넷이란
무엇인가요? -
양자 인터넷이란 한마디로 양자 정보를 전달하는 새로운 인터넷 인프라입니다. 양자 인터넷은 양자(Quantum)의 특성을 가진 작은 파동(광자 Pulse)에 양자 정보를 입력해 인터넷이 작동하도록 하는 차세대 인터넷 기술입니다. 광자(빛)의 양자 상태인 큐비트(Qubit)로 정보를 전달하는 것이지요. 암호화와 검색을 포함한 다양한 컴퓨팅 분야에 혁명을 일으킬 수 있는 미래 인터넷 기술입니다.
기존 인터넷 정보 전달 방식은 1과 0의 디지털 데이터를 인터넷망을 통해 전달합니다. 양자 인터넷은 1과 0이 중첩된 임의 양자 상태를 양자 인터넷망을 통해 전달합니다. 구체적으로는 ‘양자 원격전송기술’과 ‘양자 중계기’를 이용해 양자 정보를 임의의 지점 A에서 B로 전달하는 기술입니다. ‘양자 원격전송기술’이란 SF 영화 속에서 순간이동 하는 현상으로 알려있지만, 실제로는 물체가 순간이동 하는 것이 아니라 양자 정보만 순간이동 하는 현상입니다. ‘양자 중계기’는 양자 원격전송 거리 한계(~50km)를 확장하는 기술로 양자 메모리, 양자 게이트와 양자 측정으로 구성되는 기술입니다.
이를 구현하기 위해서는 현재 인터넷망과 유사한 양자 네트워크를 구성해야 합니다. 네트워크 노드(Node)에 양자 중계기를 두고 노드와 노드 사이에 양자 정보를 연결하며 장거리로 전달하는 기능을 수행해야 합니다. 기존 인터넷은 데이터양이 증가하면 인터넷 속도가 느려지는 현상이 있었습니다. 양자 인터넷이 개발되면 이런 한계를 극복할 수 있습니다.
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노드
(Node)
네트워크에서 연결 포인트 혹은 데이터
전송의 종점 혹은 재분배점
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01
양자 인터넷이 개발되면 인터넷 병목 현상
한계를 극복할 수 있다.
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상온에서 작동하는
양자 인터넷이란? -
우리는 양자 분야 기술 선점을 위해 양자 인터넷을 구현하는 여러 방식 중 양자 광학 방식을 선택했습니다. 이는 주변 환경에 영향을 덜 받아 상온에서 작동할 수 있고 작은 크기로 집적하기도 쉬워 상용화에 유리하기 때문입니다. 특히, 이번 성과는 국내에서 광집적회로 양자 게이트 기술을 처음 구현한 사례로 의미가 큽니다.
이번에 개발한 핵심기술은 양자 원격전송에 필요한 얽힘 광자 쌍 광원, 양자 게이트 광집적회로 소자, 양자 측정용 단일광자 검출기입니다. 양자 정보는 0 혹은 1 상태가 확정되지 않은 큐비트를 CNOT 등의 양자 게이트를 활용해 계산합니다. 이를 위해 연구진은 실리콘으로 축퇴사광파혼합 과정을 이용, 광자 쌍을 만드는 양자 광원 소자를 개발했습니다. 양자 데이터를 전달하기 위해 빛의 최소 단위이자 큐비트 역할을 하는 빛 알갱이인 광자(光子)를 한 개씩 만들어 내는 ‘레이저 총’을 개발한 셈입니다.
또한, 저희가 개발한 양자 광원 소자는 얽힘 상태에 있는 광자 쌍을 1:700 비율로 생성할 수 있습니다. 광 전송손실 특성이 좋은 실리콘과 질화규소로 광도파로를 활용, 광집적회로를 만들었는데요. 양자 광원 소자에서 만들어 낸 단일 광자쌍을 이 회로에 입력하면 양자 간섭 현상을 통해 광자의 양자 상태를 제어할 수 있습니다. 광집적회로를 활용하면 양자 정보처리 연산 중 하나인 CNOT 양자 게이트 구현이 가능해집니다. 우리가 개발한 회로로 게이트를 작동한 결과 신뢰도는 최대 81%를 기록했습니다. 신뢰도는 지속적으로 성능을 개선해야 할 핵심지표입니다.
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CNOT
(C-NOT 또는 CNOT)
컴퓨팅 과학에서 제어된 NOT 게이트. 게이트 기반
양자 컴퓨터의 구성에 필수적인 구성 요소
(CNOT 게이트와 단일 큐비트 회전 조합을 사용하면
모든 양자 회로를 구현할 수 있음)축퇴사광파혼합
3차 비선형광학 효과의 일종으로 강한 펌프 광자와
비선형 매질의 상호작용(비선형적 간섭현상)하게
만드는 기술
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기술개발 계기와
기대효과는? -
현재 구축되고 있는 양자 암호통신 실용화를 위한 네트워크 노드는 ‘신뢰 노드’라고 합니다. 즉 신뢰 노드는 양자 키 분배로 생성된 암호키를 저장하고 관리하는 기능을 수행하는데 노드는 신뢰할만한 수준으로 보안을 잘 유지할 수 있다는 가정이 포함되어 있습니다. 그러나 노드의 신뢰성이 침해되면 보안성이 무너지는 문제가 발생할 수 있습니다.
이 문제를 원천적으로 해결할 수 있는 차세대 기술은 양자 원격전송과 양자 중계기 기반의 양자 노드로 이루어진 양자 네트워크를 구축하는 것입니다. 양자 네트워크 구현에 필요한 핵심원천기술 개발에 전 세계가 경쟁적으로 뛰어들고 있어, 우리나라 정보통신 R&D의 선도적 역할을 담당하는 ETRI가 핵심기술을 확보해야 한다는 생각으로 관련기술 기술개발을 시작하게 되었습니다.
양자 인터넷 기술의 기대효과는 세 가지로 예상할 수 있습니다. 먼저 양자 암호통신의 보안성 수준을 현재보다 더 높일 수 있습니다. 누군가가 데이터를 해킹하는 것을 양자 원격전송기술을 적용하면 더 민감하게 알아낼 수 있어, 현재 양자 암호통신 기술의 보안성을 한 계단 더 높일 수 있을 것으로 예상합니다.
두 번째는 인터넷 데이터양이 많아지면 병목현상이 생깁니다. 그러면 인터넷이 느려질 수밖에 없죠. 양자 원격전송기술은 이러한 한계를 극복할 수 있을 것으로 예상합니다. 큐비트는 동시에 두 개 이상의 양자 상태를 가질 수 있어, 정보를 전달할 때 병목현상 해결할 수 있습니다. 이를 통해 임의의 대용량 양자 정보를 효율적으로 전달할 수 있는 원천기술로 활용될 것으로 기대합니다.
세 번째는 양자 컴퓨터가 처리하는 양자 데이터를 효율적으로 네트워킹하는 기능입니다. 가령 A 위치, B 위치, C 위치에 각각 양자 컴퓨터를 두고 네트워크로 연결하여 병렬적으로 컴퓨팅을 수행하는 기능이 가능할 것입니다. 양자 컴퓨터를 한 곳에 구축하긴 어려우니 대전, 서울에 각각 구축한 뒤 두 시스템을 연결하는 것입니다.
양자 인터넷은 양자 컴퓨터가 다룰 수 있는 양자 데이터를 전달하는 새로운 네트워크로 볼 수 있습니다. 이러한 측면 때문에 양자 컴퓨터가 개발되면 데이터 처리 성능을 좀 더 높일 수 있습니다. 현재 우리가 쓰고 있는 인터넷이 디지털 데이터를 전달하는 기반 인프라로 활용되고 있는 것처럼 양자 인터넷은 양자 컴퓨터나 양자 암호통신의 양자 데이터를 전달하는 기반이 되는 기술로 활약할 전망입니다.
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광도파로
빛이 지나가는 길
양자 간섭
양자 상태의 위상이 상호 간섭하는 현상
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02
양자 인터넷은 양자 컴퓨터나 양자 암호통신의
양자 데이터를 전달하는 기반이 되는 기술로
활약할 전망이다. 
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향후 연구 방향은?
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단기 연구 방향은 양자 암호통신 네트워크를 만들어 전국에 양자 암호통신망이 구현될 수 있도록 하는 것입니다. 연구진은 향후 4년 이내에 양자 암호통신의 전국망 구현을 목표로 하고 있습니다. 이를 위해 신뢰 노드 기반 네트워크를 이용해 양자 암호통신을 구현하는 과제를 수행 중입니다. 시스템적인 측면에서는 신뢰 노드 기반의 양자 암호통신이 전국적으로 확대·적용될 수 있도록 실용성을 검증할 계획입니다. 우리나라에는 공공기관이 활용할 수 있는 광섬유망이 있습니다. 이를 KOREN(코렌)망이라고 하는데요. 이곳에서 양자 암호통신이 전국망으로 적용되는 것을 보여주는 것이 실용성 검증의 주요 방향입니다.
중·장기적으로는 양자 인터넷을 구현하는데 필요한 핵심기술들 ‘양자 원격전송기술’, ‘양자 메모리’를 포함한 ‘양자 중계기’를 개발 연구를 진행할 예정입니다. 양자 중계기의 핵심 미개발 부품이 바로 양자 메모리입니다. 양자 중계기는 네트워크 노드에서 양자 신호들을 연결하고 양자 정보를 장거리로 전송하는 기능을 제공합니다. 이에 따라 양자 메모리 연구를 진행하기 위한 준비를 하고 있습니다. 현재 양자 인터넷을 구현하는데 필요한 일부 핵심 부품들은 과거 4년 동안 연구를 통해 초기모델을 개발한 상태입니다. 앞으로 양자 중계기 구현을 위한 이미 개발된 부품들의 성능 개선과 양자 메모리 개발과 같은 창의적 원천기술 연구를 지속적으로 해 나갈 계획입니다.
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Editor epilogue
주정진 실장에게 최종 목표를 묻자, 그는 “최종 목표는 단연 양자 인터넷을 구현하는 것입니다.”라고 말했다. 꿈의 기술이라 불리는 양자의 우월성은 컴퓨터 과학의 새로운 이정표로써 인공지능을 능가하는 하드웨어 혁명으로 이어질 것으로 예상한다. 그리고 지금, 전 세계는 양자 기술로 열어갈 새로운 미래를 만들어가고 있다. 이에 국가 지능화를 대표하는 ICT 전문기관 ETRI도 인류에게 이전과는 전혀 다른 세계를 보여줄 기술개발을 위한 길을 걸어갈 것이다.
