양자 네트워크

3. 기본 원리

양자 네트워크는 양자역학의 핵심 특성인 중첩, 얽힘, 불확정성 원리 등을 기반으로 작동한다.

3. 1. 양자 컴퓨팅을 위한 양자 네트워크

3. 2. 통신을 위한 양자 네트워크

3. 3. 양자 네트워크 구성 요소

• 종단 노드 (End nodes): 정보를 주고받는 역할을 하며, 양자 프로세서, 양자 메모리 등으로 구성된다.
• 통신 회선 (Communication lines): 노드 간 큐비트 전송을 위한 경로로, 광섬유나 자유 공간(대기 또는 진공)을 이용한다.
• 광 스위치 (Optical switches): 큐비트를 원하는 양자 프로세서로 전달하는 역할을 하며, 양자 결맞음을 유지해야 한다.
• 양자 중계기 (Quantum repeaters): 장거리 큐비트 전송 시 발생하는 신호 손실 문제를 해결하기 위해 사용되며, 복제 불가능성 정리 때문에 고전적인 증폭기를 사용할 수 없다.

3. 3. 1. 종단 노드 (End nodes)

3. 3. 2. 통신 회선 (Communication lines)

3. 3. 3. 광 스위치 (Optical switches)

3. 3. 4. 양자 중계기 (Quantum repeaters)

4. 현재 상태

양자 통신 분야에서는 큐비트를 하나의 양자 프로세서에서 다른 프로세서로 장거리 전송하고자 한다.^[2] 이러한 방식으로, 지역 양자 네트워크는 양자 인터넷으로 상호 연결될 수 있다. 양자 인터넷^[3]은 원격 양자 프로세서 간에 정보를 전송할 수 있게 해주며, 많은 응용 분야를 지원한다. 양자 인터넷의 대부분의 응용은 양자 암호학의 양자 키 분배와 같이, 한 번에 단일 큐비트만 준비하고 측정할 수 있는 수준으로도 충분하다.^[4]

2020년 9월, 브리스톨에서는 8명의 사용자를 위한 도시 규모의 양자 네트워크 프로토타입이 발표되었다. 이 네트워크는 이미 설치된 광섬유 인프라를 사용했으며, 능동적인 스위칭이나 신뢰 노드 없이 작동했다.^[36][37]

2022년, 중국과학기술대학교와 지난 양자 기술 연구소의 연구원들은 도시 환경 내에서 12.5km 떨어진 두 개의 메모리 장치 간의 양자 얽힘을 시연했다.^[38] 같은 해, 네덜란드 델프트 공과대학교의 물리학자들은 양자 텔레포테이션 기술을 사용하여 세 개의 물리적 위치로 데이터를 전송하는 데 성공했다. 이는 이전에는 두 위치에서만 가능했다.^[39]

2024년, 영국과 독일의 연구원들은 양자 정보를 생성, 저장 및 검색하는 데 성공했다. 이는 양자점 광원과 양자 메모리 시스템을 인터페이스하여 장거리에서의 양자 정보 손실과 같은 과제에도 불구하고 실용적인 응용 분야를 위한 길을 열었다.^[40]

양자 네트워크 컴퓨팅 또는 분산 양자 컴퓨팅^[3][1]은 여러 양자 프로세서를 큐비트를 통해 연결하여 양자 컴퓨팅 클러스터를 생성함으로써 더 큰 컴퓨팅 잠재력을 제공한다. 이는 고전 컴퓨팅에서 여러 대의 컴퓨터를 연결하여 컴퓨터 클러스터를 형성하는 것과 유사하다.

2021년, 독일 막스 플랑크 양자 광학 연구소 연구진은 분산형 양자 컴퓨터를 위한 양자 논리 게이트의 첫 번째 프로토타입을 보고했다.^[41][42]

여러 테스트 네트워크가 양자 암호 키 분배(QKD) 작업을 위해 구축되었다.^{[49][50][51][52][53][54]}

2017년, 중국은 베이징-상하이 간 양자 암호 키 분배 간선을 개통했다.^[55] 이 간선은 베이징, 상하이, 산둥성 지난 및 안후이성 허페이의 양자 네트워크를 연결하는 백본 역할을 한다. 개통식에서 교통은행의 직원 두 명이 이 네트워크를 사용하여 상하이에서 베이징으로 거래를 완료했으며, 중국 국가 전력망 공사도 이 링크에 대한 관리 애플리케이션을 개발하고 있다. 이 회선은 32개의 신뢰할 수 있는 노드를 중계기로 사용한다.^[56] 양쯔강을 따라 다른 유사한 도시 양자 네트워크가 구축될 예정이다.^[57]

2021년, 이 네트워크 연구원들은 총 ~4,600km에 달하는 노드 간의 총 거리를 위해 신뢰할 수 있는 릴레이 구조를 사용하여 700개 이상의 광섬유와 두 개의 QKD 지상-위성 링크를 결합했다고 보고했는데, 이는 지구상에서 가장 큰 통합 양자 통신 네트워크를 만든다.^[58][59]

4. 1. 양자 인터넷

4. 2. 양자 컴퓨팅 네트워크

4. 3. 양자 키 분배 (QKD) 네트워크

2017년, 중국은 베이징-상하이 간 양자 암호 키 분배 간선을 개통했다.^[55] 이 간선은 베이징, 상하이, 산둥성 지난 및 안후이성 허페이의 양자 네트워크를 연결하는 백본 역할을 한다. 개통식에서 교통은행의 직원 두 명이 이 네트워크를 사용하여 상하이에서 베이징으로 거래를 완료했으며, 중국 국가 전력망 공사도 이 링크에 대한 관리 애플리케이션을 개발하고 있다. 이 회선은 32개의 신뢰할 수 있는 노드를 중계기로 사용한다.^[56] 양자 통신 네트워크는 중국 중부 후베이성 수도인 우한에서 가동되어 간선에 연결될 예정이며, 양쯔강을 따라 다른 유사한 도시 양자 네트워크가 구축될 예정이다.^[57]

2021년, 이 네트워크 연구원들은 총 ~4,600km에 달하는 노드 간의 총 거리를 위해 신뢰할 수 있는 릴레이 구조를 사용하여 700개 이상의 광섬유와 두 개의 QKD 지상-위성 링크를 결합했다고 보고했는데, 이는 지구상에서 가장 큰 통합 양자 통신 네트워크를 만든다.^[58][59]

5. 응용 분야

양자 네트워크는 기존 인터넷으로는 불가능한 수준의 보안, 개인 정보 보호, 그리고 연산 능력을 제공할 수 있다.^[34]

양자 인터넷은 양자 얽힘을 통해 다양한 분야에 활용될 수 있다. 일반적으로 양자 얽힘은 조정, 동기화, 또는 개인 정보 보호가 필요한 작업에 적합하다.

이러한 응용 분야에는 양자 암호 분배^[25][26], 시계 안정화^[27], 리더 선출 또는 비잔틴 합의와 같은 분산 시스템 문제 해결^[5], 망원경 기준선 확장^[28][29], 위치 확인^[30][31], 노이즈 저장 모델에서의 안전한 식별 및 양자 암호화 등이 있다. 또한, 양자 인터넷은 클라우드에서 양자 컴퓨터에 안전하게 접근할 수 있게 해준다.^[32]

5. 1. 보안 통신

5. 2. 기타 응용

6. 한계와 과제

양자 네트워크는 아직 초기 단계의 기술로, 상용화되기까지 여러 한계와 과제를 안고 있다.

우선, 양자 상태는 매우 민감하여 외부 환경의 미세한 간섭에도 쉽게 붕괴될 수 있다. 이러한 현상을 '결잃음(decoherence)'이라고 하는데, 양자 네트워크의 안정적인 작동을 위해서는 결잃음 현상을 극복하는 것이 필수적이다.

또한, 양자 정보를 장거리로 전송하는 기술도 아직 완벽하지 않다. 양자 중첩이나 양자 얽힘 상태를 유지하면서 먼 거리까지 정보를 전송하는 것은 매우 어려운 일이며, 현재 기술로는 전송 거리에 제한이 있다. 이를 극복하기 위해 양자 중계기(quantum repeater)와 같은 기술이 연구되고 있지만, 아직 실용화 단계에는 이르지 못했다.

양자 네트워크를 구축하고 운영하는 데 드는 비용도 큰 문제이다. 양자 컴퓨터, 양자 통신 장비 등은 고가의 장비이며, 양자 네트워크를 유지보수하는 데에도 많은 비용이 소요될 것으로 예상된다.

마지막으로, 양자 네트워크의 보안 문제도 중요한 과제이다. 양자 암호 통신은 이론적으로는 완벽한 보안을 제공하지만, 실제 구현 과정에서 다양한 취약점이 발생할 수 있다. 따라서 양자 네트워크의 보안성을 지속적으로 검증하고 강화하는 노력이 필요하다.

참조

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