| 뭐쯔호: 위성-지상 양자 암호키 분배 및 지상-위성 양자 텔리포테이션 구현 | ||
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 최근, 양자과학실험위성 "뭐쯔호"가 세계에서 최초로 위성-지상 양자 암호키 분배 및 지상-위성 양자 텔리포테이션(Quantum teleportation)을 구현하였다. 해당 연구 성과는 2017년 8월 10일 국제 권위적 학술지 "Nature"에 온라인으로 게재되었다. 이는 1,000km급 위성-지상 이중 방향 양자 얽힘 분배 및 양자 역학적 비국소성 검증 연구 성과가 표지 문장 형식으로 "Nature"에 게재된 후 중국 과학자가 "뭐쯔호"를 이용하여 구현한 공간 양자물리 연구 분야의 2개 중대한 연구 성과이다. 이로써 "뭐쯔호"는 전부의 3대 예정 과학 목표를 앞당겨 구현하여 향후 중국이 세계 양자통신기술 발전 및 공간 규모 양자물리 기본 문제 검증 프런티어 연구를 이끄는데 튼튼한 과학 및 기술 토대를 마련하였다. 위성-지상 양자 암호키 분배와 지상-위성 양자 텔리포테이션 프로젝트는 중국과학원 원사, 중국과학기술대학 교수 판젠웨이(潘建偉) 및 그 동업자 펑청즈(彭承志) 등으로 구성된 연구팀이 중국과학원 상하이물리연구소 왕젠위(王建宇) 연구팀, 소위성혁신연구원, 광전자기술연구원, 국가천문대, 쯔진산(紫金山)천문대, 난징(南京)천문기기유한회사, 국가공간과학센터 등 기관과 공동으로 중국과학원 공간과학 전략 선도적 과학기술 특별 프로젝트의 후원으로 완성되었다. 양자통신 연구 내용의 하나는 양자 암호키 분배이다. 통신 안전은 국가 정보 안전 및 인류 경제사회 생활의 기본 요구이다. 인류는 통신 안전을 갈망하고 있다. 그러나 수학 및 계산 능력의 끊임없는 발전으로 계산 복잡성을 토대로 하는 전통적인 암호화 기술의 암호해독 가능성은 부단히 증가되고 있다. 양자 암호키 분배는 전통적인 통신과 달리 양자 상태 전송을 통하여 원거리 사용자가 무조건적인 안전성 암호키를 공유하며 또한 해당 암호키를 이용하여 정보에 대한 1회용 암호 형식의 엄격한 암호화를 진행하므로 현재 유일한 도청 및 해독할 수 없는 무조건적인 안전성 통신 방식이다. 양자통신의 다른 한 가지 중요한 내용은 양자 텔리포테이션인데 해당 방식은 양자 얽힘을 이용하여 물질의 미지 양자 상태를 정확하게 원거리 위치로 전송할 수 있으며 물질 본체를 전송할 필요가 없다. 원거리 양자 텔리포테이션은 분포식 양자 정보 처리 네트워크의 기본 유닛이다. 양자통신은 일반적으로 단일 광자를 물리적 매개체로 하며 가장 직접적인 방식은 광섬유 또는 근지표면 자유 공간 채널을 통하여 전송한다. 그러나 해당 2종 채널에서의 소모는 모두 거리가 증가함에 따라 지수 형식으로 증가된다. 양자는 클론할 수 없기에 양자통신 신호는 전통적인 통신과 마찬가지로 증폭할 수 없으므로 기존의 양자통신 세계기록은 오직 100km급밖에 안 된다. 안전하고 원거리 전송이 가능하며 실용화 가능한 양자통신을 구현하는 것은 해당 분야의 가장 큰 연구 과제이자 국제 학술계에서 수십 년간 연구한 과제이다. 우주공간은 진공이기에 광신호 소모가 아주 적은 특점을 이용하여 위성의 보조를 통하여 양자통신 거리를 대폭 확장할 수 있다. 동시에 위성은 전체 지구를 커버리지할 수 있는 독특한 장점을 보유하고 있기에 글로벌 초원거리 실용화 양자 암호 및 양자 텔리포테이션을 구현할 수 있는 가장 이상적인 경로이다. 해당 경로는 국제 학술계의 관심을 받고 있다. 연구팀은 위성-지상 양자 통신에 대한 일련의 선도적 실험 연구를 거쳐 "뭐쯔호" 양자 과학 실험 위성을 제조하였다. "뭐쯔호"는 2016년 8월 16일 지우취안(酒泉)위성발사센터에서 발사되었으며 4개월 동안 궤도 테스트를 거친 후 2017년 1월 18일부터 과학실험을 진행하였다. 위성-지상 고속 양자 암호키 분배는 "뭐쯔호"의 과학 목표의 하나이다. 양자 암호키 분배 실험은 위성에서 발사되는 양자 신호를 지상에서 접수하는 방식으로 "뭐쯔호"가 주행하는 과정에서 허베이(河北)싱룽(興隆)지상광학관측소와 광회선(Optical link)이 구축되어 통신 거리가 645km에서 1,200km로 증가된다. 1,200km 통신 거리에서 위성-지상 양자 암호키의 전송 효율은 같은 거리의 지상 광섬유 채널에 비하여 20개 수량급(1만억억 배)이 높다. 위성의 양자 미끼 상태(decoy state) 광원에서 평균 1초에 4,000만 개 신호 광자가 발사되고 1라운드 궤도 통과 도킹 실험에서 300 kbit의 안전 암호키가 생성되며 평균 비트율(Bit rate)은 1.1 kbps에 달한다. 해당 성과는 전체 지구를 커버리지하는 양자 비밀 통신망을 구축하는데 신뢰도가 높은 기술적 기반을 마련하였다. 위성-지상 양자 암호키 분배를 토대로 하고 위성을 신뢰성 중계로 하여 지구의 임의적 2개 점에서 암호키 공유를 구현할 수 있으며 또한 양자 암호키 분배 범위를 전체 지구 커버리지로 확장할 수 있다. 그 외에 양자통신 지상국과 허페이(合肥)양자통신망, 지난(濟南)양자통신망, 북경-상해 인터넷망 등 도시 간 광섬유 양자 비밀 통신망과 연결하여 전체 지구를 커버리지하는 우주-지구 일체화 비밀 통신망을 구축할 수 있다. 지상-위성 양자 텔리포테이션도 "뭐쯔호"의 다른 하나의 과학 목표이다. 양자 텔리포테이션은 지상 발사 얽힘 광자, 우주에서의 접수 방식을 이용하여 "뭐쯔호"가 주행하는 과정에서 해발 5,100m인 시짱(西藏) 아리(阿裡)지상국과 광회선이 구축된다. 지상 광원에서 1초에 8,000개 양자 텔리포테이션 사례가 생성되며 실험 통신 거리가 500km~1,400km일 때 모든 6개 기대 발사 상태는 모두 99.7%보다 큰 신뢰도로 고전적인 한계를 초월하였다. 만약 동등한 길이의 광섬유에서 해당 실험을 중복하려면 3,800억 년(우주 연령의 20배)이 되어야 1개 사례를 관찰할 수 있다. 해당 결과는 향후 공간 규모의 양자 통신망 연구 진행 그리고 공간 양자 물리학 및 양자 인력 실험 검증 등 연구를 진행하는데 신뢰도가 높은 기술 토대를 마련하였다. 해당 연구 성과는 원거리 양자 통신에 대한 지속적 탐색 과정의 중대한 연구 성과일 뿐만 아니라 해당 목표는 아주 새롭고 또한 도전성을 갖고 있으므로 양자통신 방안을 실제 현실에서 구현하는데 중대한 발걸음을 내디디었다. 예정된 과학 임무를 완성한 후 "뭐쯔호"는 얽힘 양자 암호키, 24시간 양자 통신 등을 포함한 확장성 실험을 진행할 예정이다. "뭐쯔호" 양자 위성은 중국과학원 공간 과학 선도적 특별 프로젝트가 "12차 5개년계획"기간에 후원하는 4개 과학위성의 하나이며 중국이 자체로 개발한 세계 첫 공간 양자 과학실험 위성이다. 해당 위성의 과학적 개념 제안으로부터 핵심 기술 파악 그리고 공정 실시로부터 과학성과 산출 과정은 모두 중국과학원에서 주도하여 완성하였다. 정보출처 : http://www.cas.cn/tt/201708/t20170808_4610735.shtml |
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