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77 검색 결과: 양자통신

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중국, 세계 첫 대륙 간 양자통신 성공

2017년, 중국과학기술대학 판젠웨이(潘建偉) 연구팀은 세계 첫 양자통신 실험 위성 목표 완성, 세계 첫 양자암호통신 “베이징-상하이 간선” 개통, 세계 첫 대륙 간 양자통신 성공 등 성과를 거두었다.
2018년 1월 19일, 중국과학기술대학은 “모쯔호(墨子號)”의 중계를 통하여 상호 거리가 7,600Km인 중국과 오스트리아 사이에서 양자암호통신을 구현하였다고 밝혔다. 베이징은 비엔나에 크기가 5.34kB인 1장의 “모쯔호” 사진을 전송하였으며 비엔나는 베이징에 크기가 4.9kB인 1장의 슈뢰딩거 사진을 전송하였는데 해당 과정에 80kbit의 양자암호키를 이용하여 1차적으로 암호화하였다. 이번의 양자암호통신은 판젠웨이의 박사연구생 지도교수이자 오스트리아과학원 교수 Anton Zeilinger과 공동으로 완성하였다. “모쯔호”는 베이징 부근의 싱룽(興隆)기지국과 비엔나 부근의 그라츠(Graz)기지국에 대하여 양자 얽힘 분배를 진행하여 2개 기지국 사이에 각자의 암호키를 생성하였다. 다음으로 기지국의 지령에 따라 “모쯔호”는 2개 구간의 암호키에 대한 비트별 배타적 논리합 연산을 진행한 후 해당 결과를 그 중의 1개 기지국에 전송하여 거리가 7,600Km인 중국-오스트리아 사이에서 비밀번호를 형성하였다.
중국과학원은 또한 오스트리아과학원과 대륙 간 양자암호 영상회의를 진행하였는데 해당 회의에서 128비트(Bit) 고급 암호화 표준[1초에 128비트의 시드 키테이블(Seed-Key table) 업그레이드]을 이용하였다. 75분 동안 진행된 영상회의에서 약 2GB 데이터를 전송하였고 중국-오스트리아 양측은 560kbit의 양자암호키를 교환하였다.
기존의 공개키 암호 시스템은 특정 수학 함수의 난이도 계산을 기반으로 하였기에 이론적으로 해킹할 수 있다. 이와 반대로 양자암호키 분배는 현재까지 유일한 무조건 안전한 암호화 방식이다. 통신자는 양자 중첩 상태를 이용하여 정보를 암호화하며 양자 복제 불가능 원리에 의하면 어떠한 도청 행위는 모두 전체 통신 시스템에 간섭을 조성한다. 판젠웨이 연구팀은 10년이 넘는 실험 탐색을 거쳐 양자 얽힘 분배 거리를 수십 Km에서 404Km로 확장하였으며 세계에서 가장 먼거리의 지점과 지점 사이 광섬유 암호키 분배를 구현하여 도시 간 양자통신의 요구를 만족하였다. 그러나 광섬유 또는 지표면 자유 공간에서 전송되는 과정에서 손실이 비교적 크기에 양자통신 거리는 수백 Km를 벗어나지 못하였다. 연구팀은 지구에서 임의의 2개 지점 사이 양자 통신을 구현하기 위해 “우주-지상 연결”을 이용한 방안을 선택하였다. 광자가 지표면과 위성 사이에서 전송되는 과정에서 경과하는 거리가 대부분 진공이기에 생성되는 소모 및 결잃음(Decoherence) 정도를 무시할 수 있다.
2016년 8월, 판젠웨이 연구팀은 세계 첫 양자통신실험위성 “모쯔호”를 500Km 높이의 지구 근접 궤도에 발사하였으며 또한 “모쯔호”를 협력하여 실험을 진행할 허베이(河北) 싱룽, 신장(新疆)난산(南山), 칭하이(青海)더링하(德令哈), 윈난(雲南)리장(麗江) 및 시짱(西藏)아리(阿裡)에 위치한 5개 기지국도 잇따라 건설하였다.
2017년 “모쯔호”는 1년 내에 1,200Km를 초과하는 위성-지구 간 미끼 상태(Decoy state) 양자암호키 분배, 1,200Km 거리에서의 위성-지구 간 양자 얽힘 분배 및 벨 상태(Bell States) 측정, 지구-위성 간 양자 원격전송(Quantum teleportation) 등 3대 과학 목표를 완성하였다. 해당 3종 획기적 실험은 글로벌 양자통신 네트워크를 구축하는 토대이다. 실험 결과에 의하면 1,200Km의 양자암호키 분배를 통하여 위성 링크(Satellite link) 효율은 광섬유에 비하여 20개 이상의 수량급이 증가되었다.
현재 “베이징-상하이 간선”과 “모쯔호”의 위성-지구 간 연결을 완성하였다. 2017년 9월말, 세계 첫 양자암호통신 간선인 “베이징-상하이 간선”이 정식으로 개통되었는데 전체 길이는 2,000Km이고 지난(濟南)과 허페이(合肥)를 경과한다. 또한 싱룽기지국은 광섬유를 통하여 베이징의 많은 양자통신 네트워크 지역과 연결되었다. 정부기관, 은행 및 보험회사에서는 실제 응용을 통하여 양자 통신 주요 네트워크를 테스트하고 있다.

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소형화 양자통신 시스템 개발 관련 핵심기술 파악

최근, 중국과학기술대학 판젠웨이(潘建伟)/장쥔(张军) 연구팀은 세계 최초로 1.25 GHz InGaAs/InP 단일광자 검출기 모놀리식 판독 집적회로를 개발하였다. 해당 기술은 고속 양자통신 단말설비에서 부피 점유율이 가장 큰 검출기 모듈의 크기를 1개 수량급 이상 줄일 수 있어 향후 소형화 양자통신 시스템 개발을 위해 중요한 디바이스 기반을 마련하였다. 해당 성과는 “Optics Letters” 학술지에 게재되었다.
단일광자 검출기는 미세광 측정에서 가장 민감한 장치로서 양자통신, 레이저 레이더, 광섬유 센싱, 생물학적 형광검출 등 분야에서 광범위한 응용 수요가 있다. 양자통신 시스템의 핵심 디비이스인 통신 주파수 대역의 단일광자 검출기 성능은 통신거리와 통신속도 등 핵심적 매개변수를 직접적으로 결정한다. 현재 주류를 이루고 있는 통신 주파수 대역의 단일광자 검출 해결방안으로는 상향변환 단일광자 검출기, 초전도 나노와이어 단일광자 검출기, InGaAs/InP 애벌란시 다이오드 단일광자 검출기 등이다. InGaAs/InP 단일광자 검출기는 원가가 낮고 부피가 작으며 초저온 냉각이 필요하지 않는 등 장점이 있어 실용화 양자통신 등 분야에서 광범위하게 응용되고 있다.
게이트제어 동작 주파수와 시스템 집적도를 향상시키는 것은 InGaAs/InP 단일광자 검출기 연구에서 가장 주요한 기술적 어려움이다. 2012년 이전에 중국의 모든 양자통신 네트워크에 적용된 해당 유형 검출기의 동작 주파수는 10MHz를 초과하지 못해 통신거리와 통신속도를 크게 제한하였다. 연구팀은 사인 게이트제어, 통합 필터, 후방 펄스 정밀 보정 등 일련의 핵심기술을 발전시켜 2012년에 세계 최초로 보드 레벨 집적형 1.25 GHz InGaAs/InP 단일광자 검출기를 개발하였는데 동작 주파수는 2개 수량급 이상 향상되었고 검출기 시스템의 부피는 2U 폼팩터(form factor) 크기로 줄었다. 이후 연구팀은 통신산업표준을 만족시킬 수 있는 4채널 집적형 고속 단일광자 검출기 보드를 개발하여 검출기 시스템의 집적도를 더한층 높였다. 이러한 고속 검출기를 국가 첨단기술 연구개발계획(863계획)의 “광섬유 양자통신 종합응용시범 네트워크” 중장거리 테스트베드 및 “지난(济南) 양자통신시험 네크워크” 등 네트워크에 가장 먼저 도입하여 장기간 테스트를 수행하였으며 이를 통해 전반적 성능과 안정성을 효과적으로 검증하였다. 또한 양자암호통신 “징후(京沪)간선” 기술 검증 및 응용시범 프로젝트에 규모화 응용을 달성하였다.
향후의 소형화 양자통신 설비 수요를 감안하여 연구팀은 고속 단일광자 검출기의 부피를 더한층 줄이기 위해 기존 연구를 토대로 신형 미세 애벌란시 신호 추출 기술을 더한층 발전시켰다. 또한 저온 동시 소성 세라믹(LTCC) 기술을 사용하여 최종적으로 1.25GHz 단일광자 검출기용 15mm×15mm 크기의 모놀리식 판독 집적회로 칩을 개발하였다. 해당 칩을 검출기 시스템에 응용하여 성능 특성화를 거친 결과 -50℃ 조건에서의 검출 효율은 27.5%이었고 다크 카운트(dark counts)는 1.2kcps이었다. 이는 보드 레벨 집적을 채택한 판독회로 테스트 결과와 거의 일치한 결과로서 칩의 기능적 특성이 검증되었다. 칩에 대한 70시간 연속성 테스트에서 지표 매개변수는 변화하지 않았다. 이로써 칩의 안정성이 검증되었다.
다음 단계에 광전 집적 기술을 사용하여 상기 모놀리식 판독 집적회로 칩, InGaAs/InP애벌란시 다이오드 칩, 마이크로 열전 냉각기 간 혼합적 집적을 실현함으로써 고속 단일광자 검출기 통합 디바이스를 형성하는 한편 검출기 시스템 부속회로와의 결합을 통해 최종적으로 일체화 통합 마이크로 고속 단일광자 검출기 모듈을 구현할 계획이다. 해당 모듈의 부피는 기존의 동일 기능 고속 단일광자 검출기에 비해 20배 줄일 수 있는데 이는 소형화 양자통신 시스템 개발에 도움이 된다.

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세계 첫 양자암호통신 기간선로 역사적 대륙 간 양자통신 실현

2017년 9월 29일, 세계 첫 양자암호통신 기간선로인 “징후(베이징-상하이)간선”의 본격적 개통과 함께 “징후간선”과 “뭐쯔호”를 결합시킨 공대지 링크를 구축함으로써 대륙 간 양자암호통신을 실현하였다. 이는 중국이 공대지 통합 광역 양자통신망을 기본적으로 형성하여 미래 글로벌 양자암호통신망 건설에 튼튼한 기반을 마련하였음을 의미한다.

“징후간선” 개통식 현장에서 중국과학원 바이춘리(白春禮) 원장은 양자암호통신 영상회의시스템을 이용하여 허페이, 지난, 상하이, 신장 등 지역과 각각 통화하였다. 또한 “뭐쯔호” 양자위성을 통해 오스트리아 과학아카데미의 안톤 차일링거(Anton Zeilinger) 원장과 세계 최초로 대륙 간 양자암호통신 영상통화를 하였다. 영상통화에서 안톤 차일링거 원장은 중국이 근간에 양자통신 분야에서 거둔 획기적 성과 축하와 함께 향후 양국이 양자 분야 협력을 더한층 강화하기를 희망하였다.

“징후간선” 프로젝트는 2013년 7월에 가동되어 2016년 말 전구간 연결 및 위성-지상 간 통합화 연결을 달성하였으며 반년간 응용 테스트 및 장시간 안정성 테스트를 수행하여 2017년 8월 말에 허페이에서 전반 네트워크에 대한 기술 검수를 통과하였다.

베이징-지난-허페이-상하이를 잇는 “징후간선”은 전구간 길이가 2,000km에 달한다. 연구팀은 “뭐쯔호” 양자과학실험위성의 싱룽(興隆)지상국과 “징후간선”의 베이징 상디(上地)중계접속국을 연결시킴으로써 공대지 통합 광역 양자통신 링크를 구축하였다. 뿐만 아니라 “뭐쯔호” 양자위성과 오스트리아 지상국 간 위성양자통신을 구현함으로써 역사적인 대륙 간 양자통신을 실현하였다.

“징후간선”은 전구간에서 20kbps 이상의 속도로 암호키를 생성할 수 있는데 이는 1만 여 사용자를 대상한 업무화 암호키 분배 수요를 만족시키는 수준이다. 싱룽지상국과 베이징접속국 간 전구간에서 5kbps 이상의 속도로 암호키를 생성할 수 있어 기본적인 데이터 통신 수요를 만족시킬 수 있다. 뿐만 아니라 베이징/상하이/지난/허페이/우루무치(烏魯木齊)난산(南山) 등 지상국과 오스트리아 과학아카데미의 대륙 간 양자통신 영상회의, 쟈오퉁(交通)은행 베이징-상하이 간 원거리 기업인터넷뱅킹 사용자를 위한 양자암호통신 기반의 실시간 거래, 중국공상(工商)은행 인터넷뱅킹 베이징/상하이 타 지역 데이터에 대한 양자암호화 전송 및 재해복구(Disaster Recovery), 알리바바 신용정보 데이터에 대한 양자암호화 타 지역 전송 및 양자암호화 주문형 스트리밍 미디어 제공 등 시범적 업무화 응용을 실현하였다.

양자통신은 현재로서 유일하게 무조건 안전(unconditionally secure)을 검증받은 통신방식으로서 정보 보안 문제를 효과적으로 해결할 수 있다. 향후 금융, 정무, 국방, 전자정보 등 분야에서 “징후간선”과 “뭐쯔호”로 구성된 공대지 통합 광역 양자통신망에 기반한 대규모 양자통신 응용을 추진하는 한편 완벽한 양자통신 산업사슬 및 차세대 국가 주권정보보안 생태계를 구축하여 최종, 양자통신으로 안전을 지키는 양자인터넷망을 구축할 계획이다.

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세계 첫 해수 양자통신 실험 성공

최근, 상하이교통대학 진셴민(金賢敏) 연구팀은 첫 해수 양자통신 실험 과정에서 광자의 분극화 양자 상태 및 양자 얽힘은 해수에서 양자 특성을 보존한다는 것을 발견하여 세계 최초로 실험을 통하여 수중 양자통신의 실행 가능성을 검증하였다. 이는 향후 수중 및 항공-해양 일체화 양자통신망을 구축하는데 중요한 한걸음을 내디디었다. 해당 연구 성과는 최근 Optics Letters에 게재되었으며 또한 편집자 추천 문장으로 선정되었다.

광섬유 및 공간 대기 채널 기반의 양자통신의 실행 가능성은 입증되었고 해수 기반의 양자통신도 이론적으로 실행 가능하다. 해수 부유물질, 염도 등이 광자에 대한 산란 및 소모 효과가 광섬유 및 대기에 비하여 아주 크지만 해수에도 광자 전송시 소모가 비교적 낮은 청록색 창구(Blue green window)가 존재할 뿐만 아니라 상업용 단일광자 탐측기로 탐측할 수 있다. 해양에서의 양자통신을 구현하지 못하면 글로벌화 양자통신망은 불완전하다.

연구팀은 실험 과정에서 광자의 분극화를 정보 인코딩 캐리어(Carrier)로 선택하였다. 시뮬레이션을 통하여 검증한 결과, 아주 큰 소모 및 산란 조건에서 분극화 인코딩 광자는 분실될 수 있지만 양자 비트 플리핑이 발생되지 않았다. 즉 해수의 거대한 채널 소모를 경과한 후 오직 소량의 단일광자가 존재하면 안전한 비밀키를 구축하는데 이용할 수 있다.

수중 양자통신은 수백 미터에 도달할 수 있다. 비록 채널이 비교적 짧지만 수중 1백 미터급 잠수정 및 센서 네트워크 노드 등에 대한 비밀통신을 진행할 수 있으며 또한 수중 몇 미터 깊이에서 위성 및 비행체에 대한 비밀통신을 수행할 수 있으므로 기존의 해수는 “양자통신 금지 영역”이라는 인식을 개변시켰을 뿐만 아니라 군사 등 영역에서 우수한 응용 가치가 있다.

현재 수중 양자통신은 실용적인 수중, 항공-해양 일체화 양자통신 연결 및 네트워크 수준에 도달하지 못하였지만 향후 양자통신 기술은 항공, 지하, 해양 등 분야에서 거대한 잠재력을 갖고 있다.

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중국의 양자통신 R&D 동향

4차 산업혁명 시대를 맞아 전 세계는 “나노(nano)”의 시대를 넘어 바야흐로 “양자(quantum)” 시대에 들어섰다. 작년 8월 중국이 세계 최초로 양자통신 상용화를 위한 실험위성을 쏘아 올려 전 세계를 놀라게 하였다. 위성을 활용한 양자통신이 현 단계에서 가장 앞선 기술로 평가받고 있는데, 중국이 그 핵심기술을 확보한 국가이다. 올해 5월에는 일반 컴퓨터보다 연산속도가 2.4만배 빠른 세계 첫 단일 광자 양자컴퓨터 개발에 성공하여 다시 한번 양자통신 기술신흥국으로서의 입지를 굳혔다.
중국이 짧은 기간에 눈부신 연구성과를 올릴 수 있은 것은 정부의 전폭적인 지원과 갈라놓을 수 없다. 중국과기부(MOST)는 2012년부터 5년간 양자기술과 나노기술 등에 2,900억 위안을 투자해, 세계 최장 거리인 2000km의 북경- 상하이간 양자통신망 구축에 착수했다. 중국정부는 지난 2008년부터 다양한 인재유치프로그램을 통해 세계 일류의 연구인력을 대거 유치하였다. 양자통신분야 거장으로 불리는 판젠웨이(潘建偉) 역시 중국정부가 제1차 “천인계획”을 통해 유치한 해외 유학파 인재이다.
한국 역시 “양자정보통신 중장기 추진전략”을 마련하고 추진중이나 양자기술 분야에 대한 투자는 세계 주요국 가운데 최하위 수준에 머물고 있다. 올해 2월 27일 SK텔레콤이 노키아와의 양자암호통신기술 사업 협력 계약을 체결함에 따라 한국은 기술종주국의 비로소 면모를 갖추게 되었다. 주요 국가들이 양자통신 기술 개발에 박차를 가하고 있는 만큼, 한국도 정부 지원과 함께 인력양성, 융합연구 기반 조성, 생태계 구축 등이 시급하다.
본문에서는 중국의 양자통신 육성정책과 연구개발 동향을 집중 분석해보고 국제협력 시사점을 도출하였다.
목차
Ⅰ. 작성배경
Ⅱ. 양자통신 육성정책
Ⅲ. 양자통신 개발현황
Ⅳ. 양자통신 기술수준
Ⅴ. 대표적 연구센터 및 연구인력
Ⅵ. 시사점 및 전망

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200km 안전거리 양자통신 실현

중국과학기술대학교 판젠웨이(潘建伟) 원사 연구팀은 중국과학원 상하이(上海) 마이크로시스템연구소(SIM) 및 칭화대학교와 협력하여 세계 최초로 해커 공격을 막을 수 있는 원격 양자 키 분배 시스템(long-distance quantum key distribution system)의 안전거리를 200km로 확장하였다. 11월 7일 발간된 “Physical Review Letters”는 이 연구 성과를 중점적으로 소개하였다.

양자 키 분배는 안전한 정보 부호화를 위한 솔루션을 제시하였다. 그러나 현재의 시스템 장비는 이론 가설의 결함을 해결할 수 없으므로 다양한 안전 취약점이 생겨 양자해커의 공격을 당하기도 한다. 특히 “시간 변위 공격”, “데드 타임 어택”과 “강한 섬광 공격”등 탐지 시스템을 목표로 한 공격은 “양자 해커”의 주요 공격 대상으로 된다.

2013년, 판젠웨이 연구팀과 캐나다의 한 연구팀은 실험을 통하여 측정 기기와 무관한 양자 키 분배를 세계 최초로 실현하고 탐지 시스템에 대한 공격 문제를 완벽히 해결한 바 있다. 그러나 기존 연구 실험에서 얻은 전송 거리는 50km 밖에 되지 않아 광대역 양자 통신 네트워크에 실제적으로 활용하는 데에 제한적이다.

판젠웨이 연구팀은 직접적으로 개발한 고속 독립 레이저 간섭 기술 및 중국과학원 상하이마이크로시스템 연구소에서 독자적으로 개발한 고효율 저소음 초전도 나노선 단일 광자 탐지기(Superconducting Nanowire single photon detector)를 이용하여 안전거리를 200km까지 확장하고 비트율(Bit rate)을 3개 수량급 증가시켰다.

Physical Review Letters는 이 연구 성과를 “실용 양자 키 분배의 중요한 이정표”, “물리와 기술면에서의 커다란 진척”이라고 평가하고 관련 논문을 “편집자 추천” 논문으로 선정했다. 그 외 유럽 물리학회 소속 사이트 Physical World는 ‘안전한 장거리 양자 통신 전달’이라는 주제로 이 연구 성과를 소개하였다.

또한 현장 광섬유(Optical fiber)에서의 시스템 성능을 검증하기 위해 연구팀은 허페이(合肥)시 양자 통신망의 3개 노드를 이용해 야외 실험을 실시했다. 실험 관련 논문은 국제전기와 전자공학협회 산하 ‘Selected topics in Quantum Electronics’지에 이미 발표되었다.

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중국, 2030년 글로벌 양자통신 위성네트워크 구축 계획

2014년 11월 2일에 개최된 ‘2014년 양자통신, 측량과 컴퓨팅 국제학술 대회’에서 중국과학원 ‘양자과학 실험위성’ 프로젝트가 순조롭게 실시되고 있다고 밝혔다. 중국은 첫 위성을 발사한 후 연구를 계속해서 추진하고 2030년까지 글로벌 양자통신 위성 네트워크를 구축할 계획이다.

중국과학기술대학 판젠웨이(潘建伟) 교수에 의하면, 중국 청해호(靑海湖) 등지에서 실시한 여러 실험성과를 기반으로 양자과학 실험위성의 핵심기술을 확보하고, 위성 제조를 추진하고 있다.

지난 10년간 중국의 과학자들은 양자물리연구 분야에서 고수준의 많은 성과를 거두었는데, 그중 양자통신은 세계 선도적인 수준의 첨단기술이다.

양자암호화 통신기술은 양자역학 원리를 기반으로 하였기에, 2개 지역 간 양자키 분배의 절대적 안전성을 보장할 수 있어 통신의 절대적인 안전을 보장할 수 있다. 국가 안보, 금융 등 정보 안전 분야에서 중대한 활용가치와 전망이 있다.

2012년초 판젠웨이 연구팀은 안휘(安徽)성 합비(合肥)시에 세계 첫 규모화 도시간 양자통신 네트워크를 구축했는데, 네트워크 노드 수가 46개에 달하여, 당시 국제 동종의 양자 통신 네트워크를 훨씬 초과했다.

판젠웨이는 ‘도시간 통신 네트워크에서의 양자암호통신의 사용은 이미 기본적으로 성숙되었으나 광대역 양자암호통신을 실현하기 위해서는 위성을 활용해야 한다.’고 소개했다.

판젠웨이 연구팀이 주도한 중국과학원 전략적 선도형 과기전문과제인 양자과학실험위성은 위성-지구 간 고속 양자통신을 실현하고 지상의 도시간 양자통신 네트워크와 접속할 수 있어, 중국 전역의 광대역 양자통신체계가 기본적으로 구축될 전망이다.

이외에 중국은 첫 위성을 발사한 후에 여러 개의 위성을 추가 발사할 계획이다. 2020년까지 아시아와 유럽 간에 양자키 분배를 실현하면 아시아와 유럽을 연결하는 양자통신 네트워크가 구축될 것이다. 2030년에 이르러서는 글로벌 양자통신 네트워크가 구축될 전망이다.

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위성과 지상간 양자통신 기초실험을 완성

중국과학기술대학 판젠웨이(潘建伟, Pan Jianwei) 원사가 이끈 중국과학원 공동 혁신팀이 포괄적인 위성-지상 양자키분배(quantum key distribution)에 기반한 검증실험에 세계최조로 성공했다.

기초실험검증을 통해 위성과 지구 간 상대운동으로 인한 어려움, 위성-지구 링크 간의 높은 감쇠 등 불리한 요인을 극복할 수 있는 것을 증명하고 향후 위성-지상 양자통신기반 글로벌 양자네트워크의 실현을 위한 기술기반을 마련했다.

연구팀은 중국과학기술대학 마이크로스케일물질과학 국가실험실(Hefei National Loboratory for Physical Sciences at the Microscale) 판젠웨이, 펑청즈(彭承志, Peng Chengzhi) 등, 중국과학원 상해기술물리연구소 왕젠위(王建宇, Wang Jianyu), 광전기술연구소 황용메이(黄永梅, Huang Yongmei) 등으로 구성되었다. 연구성과가 5월1일 Nature Photonics 7(387–393 (2013))에 발표됐다.

이 성과는 중국과학원이 양자과학기술 선도프로젝트를 통해 위상학적 양자 오류 정정(Topological Quantum Error Correction), 100km 자유공간에 양자원격이동(Quantum teleportation) 및 얽힘 분배를 실현한 후 얻은 새로운 성과이자, 양자정보와 양자기술에 관한 최신성과이다. 양자키분배는 실용화를 우선 실현할 수 있는 양자정보기술로서 자체 물리적 원리로 인해 무조건의 안전성을 지니고 있다. 이로써 과학자들이 양자키분배 연구를 꾸준히 추진해왔다.

글로벌 양자키분배네트워크를 구축하기 위해 거리의 제한을 극복해야 한다. 현재 광섬유 손실과 탐지기 불완전 등 요인들의 영향으로 광섬유를 채널로 하는 양자기분배의 거리가 극값에 육박한다. 지구의 곡률과 가시거리 등의 제한으로 지상 자유공간의 양자키분배는 더욱 먼 거리를 실현할 수 없는 상황이다.

이로써 더욱 먼 거리, 심지어 임의의 2개 점 간의 양자키분배를 실현하기 위해 저궤도위성기반 양자키분배는 실시타당성이 가장 적합한 방안으로 뽑혔다. 이론분석에 의하면, 저궤도위성플랫폼 방안의 경우, 대기층 전송손실, 양자채널효율, 배경잡음 등 중요문제를 극복해야 한다.

특히, 저궤도위성과 지상국이 고속 상대운동상태이기 때문에 각의 속도(Angular velocity), 각의 가속도(angular acceleration), 무작위(random) 진동 등 조건 아래 효율적이고 안정적인 양자채널을 어떻게 구축하여 채널효율을 유지하고 양자키분배 오류율을 낮추는 것이 저궤도 위성플랫폼기반 양자키분배를 실현하는 데에 직면하고 있는 핵심적인 문제이다.

상기 어려움을 극복하기 위해 중국과학원 공동 혁신팀은 중국과학원 상해연구원, 상해기술물리연구소 및 광전기술연구소에서 기술개발을 공동 실시했다.

혁신팀은 고속 Decoy-state 양자키분배 광원 및 간편한 송수신기를 독자적으로 개발하고, 고정밀도의 추적 및 포인팅, 고정밀도 동기화 및 높은 감쇠링크 아래의 고SNR(Signal to Noise Ratio) 및 낮은 오류율의 단일광자 탐지 등 핵심기술을 독자적으로 발전시켰다. 혁신팀은 상기연구를 기반으로 회전플랫폼을 이용하여 저궤도위성의 각의 속도와 각의 가속도를 모사하고 열기구를 이용하여 무작위 진동 및 위성자세를 모사하며, 100km 지상 자유공간채널을 이용하여 위성-지상 고감쇠 링크채널을 모사하는 것을 통해 위성-지상 간 양자채널의 가능성을 검증했다.

이를 통해 중국에서는 양자과학 실험위성을 발사하여 위성-지상 양자통신 기반 글로벌 양자네트워크를 실현하고 대척도 양자이론을 기초적 검증을 실시하며, 양자이론과 아인슈타인의 일반 상대론의 융합을 탐색하는 기술기반을 확보했다.

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중국 금융정보 양자통신 네트워크 개통

중국 신화사(新華社)와 중국과학기술대학교가 공동 개발하고 건설한 ‘금융정보 양자통신검증네트워크(金融信息量子通信驗證網)’가 2월21일 신화사 금융정보거래소에서 본격 개통됐다.

금융정보 양자통신네트워크는 신화사와 중국과기대학 판젠우이(潘建伟) 교수가 인솔한 연구팀이 공동 실시한 양장통신 응용연구의 성과, 또한 세계 첫 양자통신네트워크를 이용하여 금융정보를 전송하는 통신 응용네트워크로서 양자통신네트워크기술로 금융정보 전송 안전을 보장하는 첫 시범이다. 이 네트워크에는 비밀성이 높은 비디오·음성통신, 문자 실시간 상호작용 및 고속 데이터 피일 전송 등 응용을 실현했다. 이 네트워크의 데이터 전송 대역폭은 300메가바이트/초 이상이고 대부분 암호화통신응용의 속도 수요를 충족할 수 있다.

금융안전이 국가 경제발전과 밀접하게 관련됨으로 핵심 금융전보의 전송, 저장 및 처리는 높은 안전성을 필요로 한다. 금융정보를 전송하고 안전을 보장하는 데에 높은 안전성을 지닌 양자통신기술을 활용하는 것은 경제적, 전략적 의의가 있다.

2011년 상반기부터 신화사와 중국과기대학교는 금융정보응용 특징을 기반으로 양자통신 분야에서 양자정보안전 응용연구를 시작하고 대응하는 양자통신응용기술을 개발했다. 2009년9월 신화사 뉴스빌딩과 신화사 금융정보거래소를 연결하는 ‘금융정보 비밀 양자통신기술 검증네트워크’를 건설하고, 11월말에 4개 노드, 3개 사용자의 ‘금융정보 양장통신 검증네트워크’로 확장하여 세계 금융정보 분야 첫 양장통신 응용네트워크를 구축했다.

* 보충
중국 양자통신기술 응용 및 산업화는 중국과기대학교가 위치한 안휘(安徽)성에서 최초로 시작했다. 2008년 5월 중국과기대학교 판젠우이(潘建伟)연구팀이 합비(合肥)시에 세계 첫 광양자 전화네트워크를 구축하고, 2009년 5개 노드를 갖춘 ‘전통과 양자통신네트워크’를 구축했다. 2012년 3월 30일 규모화 양자통신네트워크가 합비(合肥)시에 건설되고 개통됐으며, 이 네트워크는 46개 노드를 가지고 사용자에게 안전한 실시간 음성, 텍스트 통신 및 파일전송 등을 제공할 수 있다. 합비시는 중국, 내지 세계 첫 규모화 양자통신네트워크를 갖춘 도시이다.

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탐지효율 90% 초과하는 단일 광자 탐지기의 산업화 추진

최근 중국과학원 상하이마이크로시스템·정보기술연구소 유리싱(尤立星) 연구팀이 자체로 개발한 단일 광자탐지기는 탐지효율이 90% 이상에 달하는 성과를 거두었고 이에 따른 산업화 과정이 추진 중에 있다. 연구팀이 개발한 저온 초전도 나노와이어 단일 광자 탐지기(SNSPD) 기술은 빛에 민감한 초전도 나노재료의 특성을 이용해 단일 광자를 탐지한다. SNSPD 핵심기술을 보유하기 전 중국 양자통신 시험에 사용된 단일 광자 탐지기의 효율은 20% 밖에 안 되었고 잡음이 큰 단점으로 세계 최고 수준과 거리가 멀었다.
SNSPD시스템의 실용성 및 신뢰성을 확보하기 위해 연구팀은 신형 회로구조 개발을 통해 시스템의 안정성과 신뢰성을 향상시켰다. 또한 응용환경을 실험실환경에서 실제 현장환경에로 확장시켰다. SNSPD시스템은 기계냉각기술에 기반해 플러그 앤 플레이를 실현함으로써 국외 동일 유형 단일 광자 탐지기에 비해 사용자 친화 성능을 대폭 향상시켰을 뿐만 아니라 응용원가를 뚜렷이 낮추어 양호한 보급가치를 보유한다.
2013년에 미국이 규화텅스텐(WSi) 재료를 사용해 개발한 SNSPD 탐지효율은 최대 93%에 도달했다. 그 당시 중국이 질화니오븀(NbN) 재료로 개발한 SNSPD 탐지효율은 4% 밖에 안 되었다. WSi 재료로 제조한 장치는 NbN에 비해 더 낮은 작업온도를 요구하기에 저온 냉각장비 원가도 배로 증가한다. 연구팀은 NbN 재료를 사용한 SNSPD 개발을 견지해 2016년에 세계 최초로 NbN SNSPD 장치의 광섬유 통신 1,550 나노파장 탐지효율을 90% 이상에 도달시켰다. 연구팀은 그 이후로 NbN SNSPD 장치효율의 세계기록을 지속적으로 유지했다.
뿐만 아니라 잡음의 근원을 파악한 토대에서 온칩(on-chip) 집적 저온 필터, 광섬유 말단면(end face) 저온 필터 등 2종 다크카운트(Dark Count) 억제 핵심기술을 개발했다. 해당 방법을 사용한 초저다크카운트 SNSPD시스템은 다크카운트 1Hz 조건에서 80%에 달하는 탐지효율에 도달할 수 있는 세계 최고 수준에 도달했다. 해당 기술은 현재 중국, 미국, 일본 등 3개국의 특허를 획득했다.
SNSPD가 보유하고 있는 효율 등 성능 분야에서의 절대적 우위는 양자통신, 광양자컴퓨팅, 레이저레이더, 심우주통신 등 여러 분야로의 확장응용을 촉진할 수 있다. 상하이마이크로시스템·정보기술연구소는 국가 수요를 만족시키고 시장화 방식을 통한 첨단기술의 자아생존 및 세대교체를 달성하며 과학연구와 산업 간 교량 구축을 목표로 SNSPD기술의 산업화를 추진 중에 있다.