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해킹·도청 '절대' 못하는 시대 열리나

2017-10-31기사 편집 2017-10-31 17:05:30

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국내 연구팀, 광자쌍 간 양자간섭 실험적 측정

첨부사진1부산대 문한섭 교수
한국연구재단은 문한섭 부산대학교 교수 연구팀이 원자 증기 매질을 이용해 생성된 두 독립된 광자쌍 사이의 HOM 양자간섭을 실험적으로 측정해냈다고 31일 밝혔다.

이 실험의 성공은 차세대 통신기술인 양자통신 구현을 위한 핵심기술을 확보한 점에서 의의가 크다.

연구팀에 따르면 원자 증기 매질은 빛이 진행할 수 있는 고진공 상태의 쿼츠 셀에 순수한 원자를 넣고 밀봉해, 순수한 원자 증기 상태로 있는 매질이다. 또 HOM(Hong-Ou-Mandel) 양자간섭은 두 경로로 진행한 두 광자가 광분리기에서 만났을 때, 두 개의 광자쌍으로 뭉쳐서 각각의 경로로 진행하는 간섭현상이다. 양자 리피터(양자통신 중계장치)를 개발해 장거리 양자통신을 가능하게 하기 위해서는 광자 사이의 양자간섭 현상을 측정하는 기술이 핵심이다.

문 교수는 "기존의 광섬유도 흡수에 의한 손실이 있어 100㎞를 가면 신호를 재생시키거나 재생시켜야 한다"며 "양자 상태는 재생시키거나 증폭시킬 수 없다. 양자간섭을 통해 양자 상태를 멀리 보내기 위해서는 양자간섭을 지속적으로 측정해야 하는데 이번에 개발된 기술은 광자쌍의 생성률도 높고, 짧은 시간에 양자간섭을 측정할 수 있는 기술"이라고 말했다.

차세대 통신 기술로 주목받는 양자통신에서는 큐비트(양자 정보의 단위·복제불능, 빠른 계산속도가 특징)라는 양자상태를 이용하는데, 이 큐비트는 복제할 수도 없고 양자상태의 측정을 통해서 신호를 다시 보내는 것이 불가능하다. 이러한 특성으로 인해 해킹으로부터 가장 안전한 통신 방법으로 기대가 높아지고 있다.

양자통신은 이런 큐비트를 전송하는 기술로 양자 상태(quantum states)에 정보를 기록해 전송하면, 공격자가 도청을 위해 양자 상태를 측정하는 순간 양자 상태 자체가 변화된다. 따라서 수신자는 데이터에 대한 도청 시도를 파악하고 수신된 정보를 폐기할 수 있다. 이에 따라 양자 상태에 기록된 정보는 근본적으로 도청이 불가능하다.

오늘날 광통신은 신호를 증폭·복원하는 장치를 활용해 장거리 신호 전달이 가능하게 하지만 양자통신은 복제가 불가능하기 때문에 고전적인 광신호 복제 방법을 사용할 수 없다.

연구팀은 매우 간단한 원자 매질을 이용해 고효율 양자광원이 연속적으로 발진하는 기술을 개발하고 이를 통해 독립적인 두 양자광원 사이에 HOM 양자간섭을 선명하게 측정해냈다. 기존 연구에서는 △펄스 형태의 양자광원 또는 냉각된 원자에서 생성된 양자광원을 사용해 독립적인 양자광원들 사이에 시각 동기가 필요하고 △양자광원 구현이 비효율적이고 시스템이 복잡하며 △양자간섭 신호 측정에 몇 시간 이상 소요됐다. 반면 이번에 개발된 기술로는 시각동기 없이 단 15분의 측정만으로도 독립적인 양자광원들 사이의 양자간섭을 관측할 수 있어 획기적인 기술적 발전을 이루었다.

문한섭 교수는 "이 연구는 순수 국내 기술로 원자 매질을 이용한 고효율 양자광원을 개발하고 독립적으로 동작하는 두 양자광원 사이에 고효율 양자간섭을 확인한 것"이라며 "높은 광자 생성률을 가진 우수한 양자광원의 개발과, 이를 이용한 양자간섭 측정의 성공은 장거리 양자통신 구현을 위한 핵심적인 기술 구현에 있어서 중요한 진보"라고 연구의 의의를 설명했다.

한편, 이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구지원사업(개인연구) 지원으로 수행됐다. 이어 광학 분야 국제학술지 옵티카(Optica) 지난 9월 28일자 논문으로 게재됐다. 김달호 기자







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첨부사진2원자 증기 셀에서 생성되는 고품질의 연속 동작 양자광원. 사진=한국연구재단 제공
첨부사진3독립적인 두 양자광원 사이에 Hong-Ou-Mandel (HOM) 양자간섭 실험. 사진=한국연구재단 제공

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