양자통신 시연 첫 성공…양자인터넷 첫걸음

美 하버드대 박홍근 교수
아마존 웹서비스와 공동연구
35㎞ 거리서 송수신 성공
양자얽힘 활용해 해킹 불가능
광통신으로 양자인터넷 구축
네이처에 연구결과 발표

2018년 제19회 세계지식포럼에서 '빅테크 빅웨이브: 기술 르네상스'를 주제로 강연하고 있는 박홍근 하버드대 교수. 매경DB

미국 하버드대 한인 연구자가 도심 지역에서 양자통신을 시연하는 데 최초로 성공했다는 연구 결과를 내놨다. 미국 보스턴과 케임브리지 간 약 35㎞ 거리에서 서로 다른 양자 상태에 중첩된 광자를 보내고 받는 데 성공한 것이다. 양자인터넷 등 양자통신을 실현하는 데 큰 진전을 이뤘다는 평가가 나온다.

박홍근·미하일 루킨 미국 하버드대 물리학과 교수와 미국 아마존웹서비스(AWS) 공동 연구팀은 15일(현지시간) 국제 학술지 '네이처'에 이 같은 연구 결과를 발표했다. 박 교수는 이메일 인터뷰에서 "양자통신과 이를 이용한 양자인터넷을 실용화하기 위해서는 서로 멀리 떨어져 있는 양자 간의 양자얽힘을 하는 것이 중요하다"면서 "이번 연구에서 양자얽힘을 현재 상용 기술이 실제 사용하는 광통신망을 통해 실현할 수 있다는 것을 증명했다"고 설명했다.

우주에서 가장 빠른 빛은 통신과 정보처리 분야에서 궁극의 물질이다. 초고속 인터넷의 광통신 등 다양한 곳에서 빛을 이용한 통신과 센서 기술이 사용되고 있다. 광통신 기술 중 단일 광자를 이용한 양자통신 분야가 주목받고 있다.

빛 알갱이인 광자는 둘로 나눌 수 없고 복제가 불가능한 특성이 있어 양자통신은 해킹할 수 없다. 군사·금융·산업 등 보안이 중시되는 다양한 영역에서 관심을 받고 있는 이유다.

양자통신은 양자얽힘 성질을 이용한다. 양자얽힘은 동전에 비유할 수 있다. 동전에는 앞면과 뒷면 두 개 면이 있다. 동전을 던져 어떤 면이 나오는지 따지게 되면 네 가지 경우의수가 나온다. 먼저 던진 동전과 뒤에 던진 동전이 서로 독립적 사건이기 때문이다. 먼저 던진 동전에서 어떤 면이 나왔느냐가 뒤에 던지는 동전에 영향을 미치지 않는다. 양자역학에서는 이야기가 좀 다르다. 동전 두 개가 얽혀 있다. 먼저 던지는 동전에서 앞이 나오면 뒤에 던지는 동전도 앞이 나오게 할 수 있다. 동전 간 거리가 멀어져도 반대쪽 동전에서 어떤 면이 나왔는지 알 수 있다.

이런 원리를 이용한 양자통신은 지난 10년간 실험실에서 시연됐다. 연구팀은 실험실을 벗어나 도심 지역에서 양자통신이 가능함을 입증했다. 케임브리지·서머빌·워터타운·보스턴 지역을 잇는 약 35㎞ 거리의 상용 광통신망을 활용해 서로 다른 양자 상태에 중첩된 광자를 보냈다. 광통신망 양 끝에는 연구팀이 개발한 양자 메모리 노드가 설치돼 있다. 양자 메모리 노드는 다이아몬드 조각으로 만들어진 매우 작은 양자컴퓨터로, 다이아몬드 내부에는 사람 머리카락 너비의 100분의 1보다 작게 조각된 구조가 있다.

양자 메모리 노드에는 두 개의 큐비트(양자 정보 비트)가 포함돼 있다. 하나는 통신에 사용되는 전자 스핀 형태이고, 다른 하나는 양자얽힘을 저장하기 위한 메모리 스핀 형태다. 이 구조는 광자의 장거리 송수신을 가능하게 하는 비결이라고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 "양자통신은 양자 정보를 복사하는 것이 불가능하기 때문에 표준 광섬유 신호 중계기를 사용해 신호를 증폭하는 게 불가능하다"면서 "이 때문에 장거리 통신에 한계가 있었고 양자통신의 주요 문제로 꼽혀 왔는데, 이를 이번에 해결했다"고 밝혔다.

연구팀은 기존 광통신망을 활용해 양자인터넷을 구축할 수 있을 것으로 기대했다. 박 교수는 "실제 활용까지는 해야 할 일이 많이 남았다"면서도 "양자통신을 실제 사용할 수 있도록 개발하는 데 중요한 한 걸음을 내디뎠다"고 밝혔다.

[고재원 기자]