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양자 통신은 두 가지 주요 과제에 직면 -과기일보 제공

출처:KIC China 발표 시간:2019-10-09 20:35:00 조회 수:
발표 시간:2019-10-09 20:35:00
인류가 정말로 안전하게 정보를 전송할 수 있을까? 이것은 꿈인가 현실인가?
9 월 10 일, 베이징의 옌치호에서는 비록 하늘에서 부슬부슬 비가 내리고 있었지만 적지 않은 학자와 학생들이 중국 과학원과 독일 국립 과학원(Leopoldina)가 공동으로 개최한 제 1회 쌍방 세미나에 참여했다. 회의에서 중국 과학원 회원이자 중국 과학 기술 대학 상무부교장 판지엔웨이(潘建伟)는 ‘꿈 아니면 현실? 양자통신의 과거, 현재, 미래’라는 보고서를 발표했다.

 사진 1) 출처: 동양파부 东阳发布
 
정보의 안전한 전송은 수천년간 인류가 줄곧 추구해 온 꿈이다. 이론상 모든 계산의 복잡도에 의존하는 모든 고전적인 암호화 방법은 원칙적으로 풀어낼 수 있다. 따라서 역사 발전중 고전적인 암호학은 한번 진보하면 풀이 기술도 진보하여 패한다. 그렇다면 인류는 정보 전송의 안전성을 확보할 암호 수단을 발명할 수 없을까? 구체적으로 말하자면, 어떻게 임의의 먼 두 곳에서 안전한 암호 키를 분배할 수 있을까?
1968 년 이스라엘 과학자 Stephen Wisner는 양자 시스템으로 기존의 방법으로는 처리할 수 ​​없었던 정보를 처리하는 임무를 수행했고 이는 사람들에게 양자 통신과 양자 암호학을 발명하도록 계기를 주었다. 1984 년 미국 IBM의 Charles Bennett와 캐나다 몬트리올 대학의 Gillette Barsad는 공동으로 가장 유명한 양자 키 분배 협의 BB84 협약을 제안했다. 양자 키 분배는 단일 광자의 불가분성과 알 수없는 양자 상태의 복제불가 등의 미립자 특수 성질을 이용하여 원칙적으로 키를 도청할 수 없음을 보증하고 정보 전송의 보안을 보장한다.
  사진 2) 출처: 바이두, 중국과학대학 양자저장실험실내 판지엔웨이
판지엔웨이는 보고서에서 인류가 원거리 양자 통신의 안전을 실현하는 여정에는 양대 과제가 있는데, 현실 조건 아래서의 안전성 문제와 원거리 전송 문제로 나뉜다. 
양자 키 분배는 이론상의 무조건적 안전성으로 인해 많은 주목을 받았지만 실제 시스템에서 양자 키 분배 시스템은 설비의 불완전함으로 인해 안전상의 구멍이 존재한다. 양자 키 분배 과정 중 선로의 안전성은 엄격하게 보장될 수 있지만 안전에 구멍이 날 가능성은 송신단 과 수신단에 집중된다. ‘기만형태의 방안’과 ‘측량장치와 무관하게 독립적인 방안’은 상술한 양단의 안전 취약성을 각각 해결한다. 이 두 해결방안은 판지엔웨이팀에 의해 처음 구현되었다.
 판지엔웨이는 ‘측정 장치와 독립적인’방안과 자율적으로 제어 가능한 광원을 결합하여 양자 키 분배가 ‘인증될 수 있는 정보 이론’의 안전성을 가질 수 있다고 소개했다. 따라서 따라서 현실적인 조건하에서 양자 키 분배의 안정성은 이미 잘 수립되었다.
지금까지 지상 실험에서 양자 키 분배의 송수신 지점간의 거리는 약 500km양자급에 도달할 수 있으며, 양자의 보이지 않는 형태의 이동은 100km에 도달할 수 있다. 그렇다면 이 기초위에서 어떻게 양자 통신 거리를 계속 늘릴 수 있을까?
한가지 단계적 해결방안은  신뢰할 만한 중계 전송이다. 중국은 광섬유 길이가 총 2,000km 이상인 ’베이징-상하이 전송관’으로 하나의 솔루션을 채택했다. 신뢰할만한 중계 전송 방안은 사람이 중계 지점의 안정성을 보장해야 하며, 또한 중계간의 선로 역시 안전해야 한다. 이것은 전통 통신 수단이 전체 전송관 곳곳에서 정보 유출의 위험이 있던 것과 비교하면 보안이 크게 향상되었다.
보다 장기적인 해결책은 양자 중계기를 사용하는 것이다. 양자 중계는 양자얽힘순화, 양자얽힘 교환과 양자 저장등의 수단으로 먼 지점까지 양자 얽힘을 분배 전송할 수 있다.  판지엔웨이팀은 양자중계의 핵심 과정에서 일련의 중요한 성과를 거두었고 현재 이미 양자중계로 500km의 양자 통신을 지원할 수 있다. 그러나 양자 중계기의 실제 사용은 아직도 10년정도 기다려야 한다. 
현재 가장 효과적인 방법은 위성 기반 양자 통신 기술이다. 이 방법은 지구 표면의 장애물에 영향을 받지 않으며 우주 공간에는 거의 감쇠가 없다. 2016 년에 중국은 세계 최초의 양자 과학 실험 위성 ‘Quantum Experiments at Space Scale/QUESS(墨子号)’를 성공적으로 연구개발하여 발사했으며, 국제적으로 솔선하여 양자통신실험을 실현하여 이 기술의 가능성을 충분히 증명했다.
사진 3) 출처: 좌측 췐토왕全投网, 우측 과기일보
보고서에서 판지엔웨이는 양자 통신의 미래를 전망하며 사람들이 먼 이상을 그려보게끔 한다. 양자 위성과 지상광선네트워크를 통해, 고전적인 통신 네트워크와 융합하여 미래에는 글로벌 규모의 광역 양자 통신 네트워크를 형성할 것이고, 정보 보안 수준을 향상시키고, 광역의 양자 통신 네트워크를 이용할 것이다. 인간은 극도로 높은 공간 분별력의 망원경 기술을 발전시킬 수 있으며, 고정밀 광 주파수 전송 네트워크를 구축할 수 있으며, 정밀도는 현재 마이크로 웨이브의 시간-주파수 네트워크에 비해 4 개 성급이나 높아질 수 있다. 예를 들어 최근 판지엔웨이팀은 QUESS(墨子号)양자 위성을 이용하여 Event Formalism양자인력모형 실험을 했고, 최초로 양자역학과 인력의 융합에 관한 실험 탐색을 진행했다. 높은 궤도 공간에서 매우 낮은 인력과 자기장 잡음을 이용하여 미래에는 정밀도가 10-21의 광양자 시계에 도달할 것으로 기대되며, 중력파 신호, 특히 저주파 신호의 탐색을 촉진하고 더욱 풍부한 천문현상을 드러내 보일 것이다.