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첫 번째 테스트에서 8명의 참가자로 구성된 양자 네트워크 작동.
28개 사용 가능자 연결 10미터에서 최대 16.6km의 공간 거리.
반투명 거울을 사용해 얽힌 광자 빔을 분할.
"확장 가능하고 상대적으로 저렴하며 가장 중요한 것은 보호장치가 풀리지 않는 것”

양자(퀀텀) 인터넷의 실현이 가까워지고 있다.
8명의 사용자가 추가 하드웨어 노드 없이 최초의 양자 네트워크 구현

양자 통신의 돌파구 :
연구원들이 처음으로 쉽게 확장 가능한 양자 네트워크를 개발했다.
여러 사용자가 값비싼 하드웨어 노드 나 액티브 스위처(여러 응용 프로그램을 전환하는 기능)없이 자유롭게 서로 통신 할 수 있다. 첫 번째 테스트에서 8명의 참가자로 구성된 이 양자 네트워크는 물리학자들이 "Science Advances"저널에 보고한 것처럼 도시의 광섬유 네트워크에서도 작동했다.

▲ 양자 네트워크는 정보의 도청 방지 교환을 가능하게 하지만 여러 사용자를 위한 양자 통신을 동시에 구현하는 것은 지금까지 어려웠다. © Anta Bucevi

얽힘과 같은 양자 물리적 현상 덕분에 데이터는 양자 통신을 사용해 도시 내, 대륙 간, 궤도까지 안전하게 데이터를 전송할 수 있다. 정보는 레이저 광자에 의해 도시 광섬유 네트워크, 해저 케이블 또는 공중을 통해 전송된다. 그러나 지금까지 얽힌 광자쌍의 형태로 필요한 양자 키(key)는 두 사용자 사이에서만 공유할 수 있었다.

스케일링의 문제

그러나 언젠가 더 큰 양자 네트워크 또는 양자 인터넷을 구축하려면 두 명 이상의 사용자 간에 양자 키를 공유할 수 있어야 한다. 그러나 이를 달성하기 위해 지금까지 네트워크의 보안을 감소시키는 추가 하드웨어 노드가 필요하거나 적어도 연속적으로 변경되는 사용자 쌍이 통신할 수 있는 회로가 사용된다.

브리스톨 대학의 제1저자 싯다르트 조쉬(Siddarth Joshi)는 “지금까지 광범위한 인프라와 각 추가 사용자에 대해 추가 송신기 및 수신기가 필요한 시스템을 사용해 네트워크를 확장했다. 이러한 방식으로(소위 신뢰할 수 있는 노드를 통해) 메시지를 교환하는 것은 많은 추가 하드웨어가 필요하고 보안을 약화시키기 때문에 이상적이지 않다”고 설명했다.

추가 노드 및 스위치가 없는 양자 통신

Joshi와 그의 팀은 이제 하드웨어, 비용과 결함이 적은 대안을 개발할 수 있었다.
그들의 기술은 양자 네트워크의 사용자가 추가 하드웨어 노드나 활성 회로없이 다른 사용자와 얽힌 광자 형태의 양자 키를 교환 할 수 있도록 한다.

이것은 이미 통신에서 일반적으로 사용되는 멀티플렉싱을 사용해 가능하다.
이를 통해 신호를 특정 방식으로 묶거나 분할 할 수 있다. 비슷한 방식으로 과학자들은 반투명 거울을 사용하여 얽힌 광자 빔을 분할한다.
"우리는 서로 다른 파장을 사용하기 때문에 통신 파트너는 관련 파장에 집중하고 나머지 광자는 무시할 수 있다"고 공동 저자 죄렌 벤거로브스키(Sören Wengerowsky, Institute for Quantum Optics and Quantum Information Vienna)가 설명했다.

도시 네트워크 8명의 사용자를 대상으로 한 성공적인 테스트

그 결과 8명의 사용자가 서로 자유롭게 통신할 수 있는 양자 네트워크가 생성됐다.
양자 키를 서로 교환할 수 있는 28개의 가능한 사용자 쌍이 생성된다. 기존 기술에 필요한 56개의 수신기 대신 16개의 파장 채널만 필요했다.
"네트워크의 물리적 수준은 간단한 허브 앤 스포크 구조에 해당하는 반면 논리적 수준에서는 각 사용자 쌍이 항상 얽힌 광자 쌍을 공유한다"고 연구원은 설명했다.

▲ 8명의 사용자가 서로 자유롭게 통신할 수 있는 양자 네트워크가 생성됐다. © Siddarth K. Joshi

Joshi와 그의 팀은 먼저 시스템이 실험실에서 작동한 다음 도시 전체의 양자 네트워크에서 작동하는지 테스트했다. 이를 위해 8명의 사용자가 브리스톨시에 분산되었고 신호는 공용 광섬유 네트워크를 통해 전송됐다. "28개의 가능한 사용자 연결은 10미터에서 최대 16.6km의 공간 거리를 가졌다"고 연구원들은 말했다.

Wengerowsky는 “실험에서 네트워크를 17시간 동안 실행하고 초당 5~300비트의 데이터 속도를 달성했다”고 말했다. 그러나 이것은 많은 응용 프로그램에 충분하지 않다. 최적의 보안을 위해 키는 전송할 메시지만큼 큰 비트여야 한다.
연구원은 “하지만 데이터 속도를 향상시키는 기술적 방법이 있다”고 했다.

"중요한 돌파구"

과학자들은 "우리가 아는 한 신뢰할 수 있는 노드없이 지금까지 가장 큰 양자 네트워크를 시연했다"고 말한다. "새로운 기술은 완전히 버그를 방지 할 수 있다는 장점 뿐만 아니라 기존 기술과 쉽게 통합할 수 있기 때문에 최소한의 하드웨어만 필요하다"고 Joshi는 말했다.
“이것은 결정적인 돌파구이다.”
그의 견해로는 이것은 미래의 양자 인터넷을 훨씬 더 실현 가능하게 만들 수 있다.

▲ 더 이상 하드웨어가 필요하지 않다. 8 명의 참가자 네트워크 용 장비 © Siddarth K. Joshi

Joshi는 "지금까지 양자 인터넷을 설정하려면 막대한 비용, 시간 및 리소스가 필요했으며 연결 보안도 줄어들었다. 이는 양자 통신의 목적에 맞지 않다"고 말했다.
"우리의 솔루션은 확장 가능하고 상대적으로 저렴하며 가장 중요한 것은 보호장치가 풀리지 않는 것이다.”
(Science Advances, 2020; doi : 10.1126 / sciadv.aba0959)
출처 : AAAS, University of Bristol, Austrian Academy of Sciences

[더사이언스플러스=문광주 기자] "No Science, No Future"

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