[ 왜 양자 인가 ? ] < 4 > QICT 의 파급 효과 와 시장 전망 - 머니 투데이 뉴스 
 문성욱 한국 과학 기술 연구원 양자 정보연 구단 책임 연구원 
 QICT 란 Quantum ICT 를 의미 하 며 , 양자 가 갖 는 고유 한 특성 을 ICT 기술 에 적용 해 보다 안 전한 통신 과 보다 빠른 연산 을 가능 케 하 는 기술 이 다 . 양자 정보 통신 기술 로 도 표현 할 수 있 다 . 
 보다 안 전한 통신 이 란 양자 의 특성 중 복제 불 가능 성 을 통신 에 적용 해 도청 을 원천 적 으로 방지 할 수 있 는 양자암호 통신 형태 로 나타난다 . 보다 빠른 연산 이 란 양자 가 갖 는 고유 한 특성 인 중첩 과 양자 얽힘 을 이용 해 계산 공간 을 지수 함수 적 으로 확장 시켜 고속 연산 을 가능 케 하 는 양자 컴퓨터 형태 로 발전 될 것 이 다 . 
 양자 란 더 이상 작 게 나뉘 어 질 수 없 는 에너지 의 최 소단위 이 며 복제 가 불 가능 한 특성 을 갖 는다 . 만약 채널 중간 에서 도청 자 가 신호 를 가로채 려고 한다면 단일 광자 수준 의 미약 한 에너지 를 사용 하 는 양자암호 통신 에서 는 수신자 에게 전달 되 는 신호 가 없 어 지 게 되 고 , 만약 도청 자 가 신호 를 복제 한 다음 수신자 에게 전달 하 는 시나리오 에서 는 양자 가 갖 는 고유 한 특성 인 복제 불 가능 성 으로 인해 양자 상태 를 복제 한 다음 전달 하 는 것 이 불 가능 하 게 된다 . 
 따라서 이 와 같 은 이유 로 양자 를 이용 하 면 송신자 는 수신자 에게 안전 하 게 신호 를 전달 할 수 있 게 되 고 , 안 전하 게 전달 된 신호 들 을 이용 하 여 송신자 와 수신자 둘 만 알 게 되 는 비밀 키를 만들 게 되 면 절대 안전 성 을 보장 받 을 수 있 는 암호 통신 이 가능 케 된다 . 
 실제 양자암호 통신 에서 는 도청 자 가 도청 을 시도 하 였 는지 여부 를 판단 하 기 위해 디 코 이 신호 를 사용 하 는데 , 디 코 이 신호 는 일반 신호 와 평균 광자 수 를 다르 게 해서 일반 신호 사이 사이 에 삽입 해서 사용 하 게 된다 . 디 코 이 신호 가 포함 된 신호 가 전송 된 후 송신자 와 수신자 는 디 코 이 신호 가 몇 번 째 존재 하 는지 를 공개 하 고 디 코 이 신호 들 의 검출 횟수 와 일반 신호 의 검출 횟수 의 비율 을 측정 해 비율 값 이 변하 게 되 면 전송 채널 에 도청 자 로 인한 영향 이 있 는 것 으로 판단 할 수 있 게 된다 . 
 대표 적 인 QICT 응용 분야 로 생각 되 는 양자암호 통신 과 양자 컴퓨터 중 에서 기술 성숙도 측면 에서 상용 화 에 근접 한 분야 는 양자암호 통신 으로 판단 된다 . 
 양자암호 통신 기술 이 가장 발전 한 기관 은 영국 캠 브리지 에 있 는 도시바 유럽 연구소 이 다 . 하지만 세계 최고 수준 의 기술력 을 가진 도시바 유럽 연구소 에서 도 양자암호 통신 의 상용 화 를 위해 아직 해결 하 지 못한 두 가지 난제 를 여전히 가지 고 있 다 . 그 중 하나 는 거리 의 제한 문제 이 고 , 다른 하나 는 네트워크 문제 이 다 . 
 양자암호 통신 에서 는 전자 하나 가 가지 는 에너지 보다 도 미약 한 에너지 를 갖 는 단일 광자 를 사용 하 므로 광섬유 를 통해 전달 가능 한 거리 가 100 km 이내 로 제한 되 는 문제 가 있 다 . 또한 현재 사용 되 고 있 는 대부분 의 양자암호 통신 은 하나 의 Alice 가 하나 의 Bob 과 비밀 키를 나누 어 가지 는 단대 단 통신 형태 이 다 . 널리 사용 될 수 있 는 통신 의 형태 가 되 기 위해서 는 양자암호 네트워크 기술 이 개발 돼야 한다 . 
 최근 중국 베이징 과 상하이 간 의 2 , 000 km 장거리 양자 암호 통신 에 성공 했 다는 보도 가 있 으나 이 는 짧 은 거리 의 단 대단 ( 1 x 1 ) 양자암호 통신 을 신뢰 연계 점 ( Trusted Node ) 을 매개 로 여러 개 연결 했 다는 것 이 다 . 정보 보안 측면 에서 볼 때 믿 을 수 있 는 노드 를 가정 한다는 자체 가 모순 이 기 때문 에 궁극 적 인 솔루션 이 라 보 기 는 어렵 고 양자 중계기 가 개발 되 기 전 까지 한시 적 으로 사용 할 수 있 는 방법 이 라 생각 된다 . 그러므로 거리제 한 문제 를 근본 적 으로 해결 할 수 있 는 방법 은 인공위성 을 이용 하 는 방법 과 양자 중계기 ( 양자 리피터 ) 를 이용 하 는 방법 이 될 것 이 다 . 
 양자 정보 는 고전 정보 와 달리 복제 하 는 것 이 불 가능 하 므로 ( 복제 불가 원리 ) 증폭기 방식 으로 신호 크기 를 증폭 시키 는 것 이 불 가능 하 다 . 양자 상태 는 양자 텔레포테이션 방법 으로 원격 전송 을 할 수 있 는데 양자 상태 를 원격 전송 하 기 위해서 는 송신자 와 수신자 가 양자 얽힘 상태 를 나누 어 가져야 한다 . 양자 얽힘 상태 를 나누 어 가질 수 있 는 현실 적 인 거리 는 광 통신 의 경우 약 100 km 정도 이 다 . 
 예 를 들 어 , Alice 와 Bob 이 200 km 떨어져 있 다면 , 중간 에 있 는 Charlie 가 Alice 와 양자 얽힘 상태 를 나누 어 가지 고 ( 큐빗 A , C 1 ) , Bob 과 도 양자 얽힘 상태 를 나누 어 가진 후 에 ( 큐빗 C 2 , B ) , 본인 이 가진 두 큐빗 C 1 , C 2 에 벨 측정 을 하 게 되 면 , Alice 와 Bob 사이 에 양자 얽힘 상태 를 나누 어 가질 수 있 게 된다 ( Entanglement Swapping ) . 즉 , 100 km 떨어진 두 쌍 의 양자 얽힘 상태 에서 하나 의 양자 얽힘 상태 를 소모 하 는 대신 200 km 떨어진 한 쌍 의 양자 얽힘 상태 를 준비 할 수 있 게 된다 . Charlie 가 하 는 이 역할 이 바로 양자 리피터 에 해당 된다 . 위 와 같 은 양자 리피터 를 여러 번 이용 하 면 수백 , 수천 km 떨어진 곳 사이 에서 양자 신호 를 보내 는 것 이 가능 하 므로 거리 한계 문제 를 근본 적 으로 해결 할 수 있 게 된다 . 
 일반 광 통신 에서 네트워크 를 구성 하 기 위해서 는 PON ( Passive Optical NetworK ) 방식 을 사용 하 고 있 었 으나 , 단일 광자 를 사용 해야 하 는 양자암호 통신 에서 는 가입자 수 가 증가 할수록 채널 감쇄 율 이 급격히 증가 하 기 때문 에 PON 방식 을 양자암호 네트워크 에 적용 할 수 없 는 문제점 이 있 다 . 그러므로 WDM ( Wavelength Division Multiplexing ) 방식 을 사용 해 양자암호 네트워크 를 구현 하 는 방식 이 영국 을 중심 으로 연구 되 고 있 었 으나 , 양자 신호 전송 에 있 어서 파장 이 C - band 를 벗어나 면 거리 에 따른 감쇄 율 이 증가 하 게 되 고 전 송파장 간격 이 좁 아 질수록 crosstalk 노이즈 가 증가 되 므로 가입자 수 를 늘리 는데 한계 가 존재 하 는 실정 이 다 . 
 이러 한 문제점 을 해결 하 기 위해 KIST 에서 는 기존 에 사용 되 고 있 던 WDM 방식 에 PDM ( Polarization Division Multiplexing ) 기술 을 새로이 추가 적용 하 여 양자암호 네트워크 가입자 수 를 64 채널 까지 확장 시킬 수 있 었 다 . 
 아직 해결 해야 만 하 는 하드웨어 적 인 어려움 이 많이 있 으나 보다 안 전한 통신 과 보다 빠른 연산 을 요구 하 는 방향 은 기술 발전 단계 에서 자연 스러운 일 로 받 아 들일 수 있 다 . 양자 물리학 과 양자 엔지니어링 의 융합 에 의해 양자 컴퓨터 와 양자암호 통신 이 구현 되 고 , 실제 생활 에서 사용 할 수 있 기 를 기대 한다 . 
 문성욱 KIST 양자 정보연 구단 책임 연구원