- 양자기술 새 지평
‘비밀공유 양자원격전송’ 완성
# 인터넷은 디지털 정보를 순식간에 주고받을 수 있지만, 해킹과 같은 정보유출에 늘 노출돼있다. 과학자들은 양자기술을 통해 정보유출로부터 자유롭고 거리와 관계없이 정보를 전송할 수 있는 통신망을 연구하고 있다. 인터넷망을 대체하는 꿈의 기술, 양자네트워크를 실현하려는 것이다.
국내 연구진이 해킹이나 도청과 같은 정보유출을 원천적으로 차단하는 양자정보기술을 개발하는 데 성공했다.
한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)과 고등과학원(원장 최재경), 서울대학교(총장 오세정) 공동연구팀은 여러 사람이 공유하는 양자정보*를 유출 가능성 없이 전달할 수 있는 원격전송**기술을 완성하는 데 성공했다.
연구팀이 최초로 고안하고 실험적으로 증명한 ’비밀공유 양자원격전송‘은 기존보다 월등히 높은 성공률과 보안성을 가져 양자정보기술의 실용화를 크게 앞당길 것으로 전망된다.
* 양자정보(quantum information) : 원자, 광자와 같은 기본 양자입자에 저장된 정보로서, 0과 1의 중첩이 가능하여 정보의 보안성이 높고 경우에 따라 대용량 정보처리가 가능.
** 원격전송(teleportation) : 양자계에 저장된 정보를 손상 없이 다른 양자계로 옮기는 작업.
양자네트워크로 연결된 구성원들은 유출 불가능한 비밀정보를 공유할 수 있다. 공유된 비밀정보란, 전체 참여자가 힘을 합치지 않으면 개별 참여자는 해독할 수 없는 정보를 의미한다.
양자네트워크에서의 비밀정보 공유는 양자원격전송*을 통해 이루어진다. 정보가 공유된 그룹 내에서는 안전하지만, 이를 다른 구성원들에게 전달하는 과정에서 보안성이 보장되지 못했다. 정보의 발신자가 다수인 경우 양자원격전송을 적용할 수 없다는 것도 문제였다.
예를 들어 5명으로 이루어진 그룹에서 2명이 공유하고 있는 비밀정보를 나머지 3명에게 전달하고자 하면, 전송효율이 급격히 떨어짐은 물론 일부 참여자에 의한 정보유출의 우려까지 있었다.
* 양자원격전송(quantum teleportation) : 물질이 직접 이동하지 않으면서 물질의 상태만을 원거리로 전달하는 기술로, 양자통신과 양자컴퓨팅의 핵심기술 중 하나.
KRISS 양자기술연구소 박희수, 이상민 책임연구원은 고등과학원 이승우 교수, 서울대학교 정현석 교수 연구팀이 완성한 다자간 양자원격전송의 이론과 보안성을 실험적으로 증명함으로써 완성했다. 네 개의 광자가 얽힌 양자네트워크를 통해, 두 명의 발신자가 공유하는 양자정보를 다른 두 명의 수신자가 가진 광자들로 원격전송한 것이다.
비밀공유 양자원격전송은 광자를 만들고 측정하는 양자광학계의 개발과, 광섬유 기반으로 소형·모듈화에 성공한 벨상태분석기*를 통해 가능해졌다. 특허로 등록된 새로운 양자기술들은 이번 실험에서 원격전송 성공확률을 월등히 높이는 데 활용됐다.
* 벨상태분석기(Bell state analyzer) : 광자들 사이의 얽힘, 즉 양자역학적 상관관계의 종류를 구분하는 측정장치.
박희수 KRISS 양자기술연구소장과 이승우 고등과학원 교수는 “비밀정보를 분산해 원격전송하는 방법을 세계 최초로 제시해, 다자간 양자암호통신과 분산화 양자컴퓨터 개발 가능성을 높였다”라며 “세계 각국의 연구개발 경쟁에서 새로운 방향성을 제시할 것으로 기대된다”라고 말했다.
KRISS 주요사업과 국가과학기술연구회, 한국연구재단, 고등과학원의 지원을 받은 이번 성과는 물리학 권위지 피지컬 리뷰 레터스(physical review letters, IF: 9.227)에 게재됐다.
연구성과 추가 설명
□ 용어 설명
- 양자얽힘 : 두 개 이상의 입자들 사이에 존재하는 비고전적인 상관관계로, 각 입자를 독립적으로 완전히 기술될 수 없는 양자역학의 고유 성질.
- 광자 : 빛의 세기를 나타내는 가장 작은 단위의 기본 입자.
- 양자암호통신 : 양자 물리학의 기본 원리를 이용하여 원리적으로 도청 불가능한 통신 기술.
- 양자컴퓨터 : 중첩과 얽힘 등 양자 물리학의 기본 원리를 이용해 고전 컴퓨터가 쉽게 풀 수 없는 계산을 수행하는 연산 장치.
□ 연구성과 이미지
예를 들어 8명으로 이루어진 그룹에서 3명이 공유하고 있는 비밀정보를 나머지 5명에게 전달하고자 한다. 기존과 달리 정보유출로부터 자유롭고 거리와 관계없이 정보를 전송할 수 있다.
□ 활용 방안
1. 다자간 양자 암호 통신
기존의 개발된 양자 통신 모델은 모두 신뢰할 수 있는 중앙노드(TCN, trustred central node)가 필요한 중앙집중형 방식이었다. 본 연구는 비밀정보를 분산해 원격 전송하는 방법을 세계 최초로 제시해, 안전한 다자간 암호통신 가능성을 높였다.
2. 분산형 양자 컴퓨팅 기술
머지않아 개발 가능성이 있는 양자 컴퓨터는 큐비트(Qubit, 비트(bit)에 대응하는 양자 연산의 최소 단위)가 50개에서 100개 수준으로 예측된다. 제한적인 자원만을 이용하여 효율적인 양자 연산을 하려면, 물리적으로 떨어져 있는 소규모 양자 컴퓨터들을 효과적으로 통합하는 분산형 양자 컴퓨팅 기술이 필요하다. 본 연구는 분산된 노드에 나누어진 양자 정보를 안전하게 전송하는 방법을 제시해, 분산형 양자 컴퓨팅 구현 가능성을 높였다.
□ 연구성과 배경 및 에피소드
슈퍼컴퓨터의 한계를 뛰어넘는 양자컴퓨터와 원리적으로 도청 불가능한 양자암호통신은 미래 정보통신기술로 주목을 받고 있다. 현재 구글·IBM·마이크로소프트·아마존 등의 거대 기업과 미국·중국·유럽·일본 등 각국 정부의 주도로 연구개발 경쟁이 치열하다.
하지만, 블록체인 기술 등 기존의 중앙집중형 서버-클라이언트 방식에서 벗어난 탈중앙화(decentralization)가 중요한 화두가 되는 시점에, 양자컴퓨터와 양자통신 기술은 여전히 신뢰할 수 있는 중앙노드(TCN, trusted central node)가 필요한 중앙집중형 방식으로 개발되어왔다.
본 연구는 비밀정보를 분산해 원격전송하는 방법을 세계 최초로 제시해, 다자간 양자암호통신과 분산화 양자컴퓨터 개발 가능성을 높였다. 양자컴퓨터와 양자암호통신 구현을 위한 세계 각국과 기업들의 연구개발 경쟁에도 탈중앙화의 새로운 방향성을 제시할 것으로 기대된다.
□ 논문 및 지원사업 관련 정보
1. 논문명 및 주소 :
‧ “Quantum Teleportation of Shared Quantum Secret”
Physical Review Letters (IF 9.227) 124, 060501 (2020.2.14.)
2. 지원사업 :
‧ 한국표준과학연구원 기관고유사업
‧ 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업
‧ 한국연구재단 양자컴퓨팅기술개발사업
‧ 고등과학원 양자우주연구사업
연구진 프로필
이상민 책임연구원
1. 인적사항
성 명 : 이상민
소 속 : 한국표준과학연구원 양자기술연구소
직 위 : 책임연구원
전 화 : 042-868-5263
e-mail : samini@kriss.re.kr
2. 학력
물리학 학사, 경희대학교 (2005)
물리학 박사, 한국과학기술원 (2010)
3. 경력사항
2016～현재 : 한국표준과학연구원 책임연구원
2013～2016 : 부산대학교 물리학과 연구교수
2010～2013 : 한국표준과학연구원 박사후연구원
4. 전문 분야 정보
양자 광학/정보 실험/이론
5. 발표논문 및 특허
“Proposal for direct measurement of concurrence via visibility in a cavity QED system” Phys. Rev. A (R) 77, 040301, 2008. 등 SCI급 23편
"단일모드 광섬유 기반 벨 상태 측정장치" 등 국내외 특허 4건
이승우 교수
1. 인적사항
성 명 : 이승우
소 속 : 고등과학원 양자우주연구센터
직 위 : 연구교수
전 화 : 02-958-2591
e-mail : swleego@kias.re.kr
2. 학력
물리학 학사, 석사, 한국과학기술원 (2001)
물리학 박사, University of Oxford (2010)
3. 경력사항
2015～현재 : 고등과학원 양자우주연구센터 연구교수
2014～2015 : 서울대학교 BK 조교수
2013～2013 : Dartmouth College, Research Associate
2010～2012 : 서울대학교 Postdoc (TJ Park Science Fellow)
4. 전문 분야 정보
양자정보과학 이론
5. 발표논문 및 특허
“Nearly Deterministic Bell Measurement for Multiphoton Qubits and Its Application to Quantum Information Processing” Phys. Rev. Lett 114, 113603 (2015) 등 SCI급 논문 35편 이상
정현석 교수
1. 인적사항
성 명 : 정현석
소 속 : 서울대학교 물리천문학부
직 위 : 교수
전 화 : 02-880-2635
e-mail : jeongh@snu.ac.kr
2. 학력
물리학 학사, 석사, 서강대학교 (2000)
물리학 박사, Queen’s University (Belfast, UK, 2003)
3. 경력사항
2008～현재 : 서울대학교 교수
2005~2008 : University of Queensland, Research Fellow
2003~2004 : University of Queensland, Postdoc
4. 수상실적
2017 : 서울대학교 자연과학대학 연구상
2011 : 포스코청암재단 청암신진교수펠로
2004 : Institute of Physics (IoP) 최우수 박사학위 논문상
5. 전문 분야 정보
양자광학 및 양자정보이론
6. 발표논문 및 특허
H. Jeong, A. Zavatta, M. Kang, S.-W. Lee, L. S. Costanzo, S. Grandi, T. C. Ralph, and M. Bellini, "Generation of hybrid entanglement of light," Nature Photonics 8, 564 (2014) 등 SCI급 논문 110편 이상
박희수 소장
1. 인적사항
성 명 : 박희수
소 속 : 한국표준과학연구원 양자기술연구소
직 책 / 직 위 : 소장 / 책임연구원
전 화 : 042-868-5763
e-mail : hspark@kriss.re.kr
2. 학력
한국과학기술원 물리학과 학사, 석사, 박사 (1991～2002)
3. 경력사항
2020.03～현재 : 한국표준과학연구원 양자기술연구소장
2004.12～현재 : 한국표준과학연구원 책임연구원
2011.12～2012.12 : University of Illinois at Urbana-Champaign, Visiting Scholar
2003.4～2004.5 : University of Strathclyde, Research Associate
2002.3～2004.11 : 한국과학기술원 Postdoc
4. 전문 분야 정보
양자광학, 포토닉스
5. 발표논문 및 특허
H. S. Park, S.-S. B. Lee, H. Kim, S.-K. Choi, and H.-S. Sim, “Construction of an Optimal Witness for Unknown Two-Qubit Entanglement,” Phys. Rev. Lett. 105, 230404 (2010) 등 SCI급 논문 약 40편
“광자생성장치” 등 국내외 특허 등록 10여 건
