KOSEN 한인과학기술자네트워크

양자통신기술은 양자암호통신기술과 양자전송 및 네트워크 기술로 나눌 수 있다. 양자암호통신기술은 양자의 성질 중 복제불가를 이용한 BB84 프로토콜 기술과 얽힘 광자를 이용한 E91 등 여러 가지 기술이 제안되고 있다. 그중 BB84 프로토콜과 다양한 변종이 양자암호통신을 위한 상용제품으로까지 발전하였다. 양자전송 및 네트워크에서는 얽힘의 상관관계를 이용하여 양자상태를 전송할 수 있고 여러 경로를 연결할 수 있는 기술로서 아직 기초기술연구에 머물러 있다.

양자암호통신은 이론적으로는 무조건적 안전성을 보장한다고 하지만, 암호화할 데이터의 전송속도보다 키생성속도가 매우 느려서 OTP(One Time Password)로써 역할을 할 수 없고, 부채널 공격에도 여전히 취약하며, 현재의 공개키인프라(PKI: Public Key Infrastructure)와 VPN(Virtual Private Network)에 의한 활용도보다 떨어지므로 널리 사용될 수 없다는 논의[16]가 있었다.

암호통신의 단계는 계산복잡성에 의한 보안, 정보이론적 보안, 무조건적 안전의 3가지 단계가 있다. 즉, 무조건적 안전성을 보장하려면 무한한 계산능력을 가진 정보 탈취자로부터 안전해야 하는데, 계산의 어려움이나 복잡성에 의존하는 PKI나 VPN은 정보보호에 취약할 수밖에 없다. 다음 단계인 정보이론적 보안은 광CDMA전송과 같은 물리계층에서의 보안을 말하는데, 이 경우 현재 기술로는 어렵겠지만 수 dB의 SNR(Signal to Noise Ratio)를 개선할 경우 충분히 암호를 해독할 수 있다는 연구결과[17]를 볼 때 안전하지 않다는 것을 알 수 있다. 마지막 단계인 BB84 양자암호분배 기술과 디바이스 독립 양자암호분배 기술을 사용한 경우가 무조건적 안전한 기술이 될 수 있다. 한편, 부채널 공격에 대해서는 어떠한 보안장비라고 하더라도 구현에 따른 결함을 가지고 있으므로 안전할 수는 없다. 따라서, 양자암호통신장비가 부채널 공격에 취약하기 때문에 양자암호를 쓸 수 없다는 것은 논리의 비약일 수 있다. 물론, 양자암호분배에 대한 부채널 공격인 트로이목마[18], [19], 수신기효율부조화[20]-[23], 위상재매핑[22], [24], [25], 블라인딩공격[22], [26] 등이 있으나 이에 대해서도 많은 연구를 통해 보완하고 있다. 또한, 키생성속도가 낮은 것은 적절한 현대암호의 키증폭방법에 의해서 가능하다고 알려져 있어서 양자암호분배가 가장 보안성이 높은 통신방법으로 볼 수 있다.

또한, 전송거리 측면에서 리피터를 사용하지 않고 보낼 수 있는 최대 거리를 550km까지도 확장 가능한 TF(twin field)-QKD 프로토콜을 발표[27], [28]하기도 하여 그동안 실험으로 발표된 도시바의 421km, 제네바 대학의 307km보다 더 멀리 보낼 수 있다. 그러나, 기존의 BB84 기반이 아니므로 무조건적으로 안전하다는 것에 대한 증명이 남아 있다.

유선광통신망에 의한 양자암호통신은 2000년대 초반부터 미국과 유럽을 중심으로 일찍이 기술개발이 시작되었다. 이들 개발된 기술은 실제 사용환경에서의 시험검증이 필요하다. 이러한 테스트베드는 기술개발의 순기에 따라 실험망(기술개발 및 시연) → 시험망(장거리 시연 및 네트워크 안정성 시험) → 시범망(응용 서비스 실증) → 상용망(상용서비스 제공)으로 구분할 수 있다. <표 3>에서는 개발단계별 각국의 유선, 무선 QKD 및 양자전송의 테스트베드 구축현황을 정리하였다.

양자암호통신에 대해 유럽의 ETSI(European Telecommunications Standards Institute)에서 2010년경에 ISG(Industry Specification Group) 수준의 규격 표준화를 시작하였고, 2018년부터 국가 간 표준화 기관에서 양자암호통신에 대한 표준 논의가 진행되기 시작하였다. 다음 목록에 표준화기관과 표준화 그룹에 대해 정리하였다. 특히, 중국은 상해-북경 간 2,000km 양자백본을 자체 개발한 양자암호통신 장비로 구축하였고, 그 여세를 몰아 자국의 기술을 국제표준화하려고 적극 나서고 있다.

특히, IEEE는 양자암호통신뿐만 아니라 양자컴퓨터에 대해서도 용어 정의나 성능측정방법에 대한 표준화도 추진하고 있다.

중국과 미국에서 상용망 서비스가 전개됨에 따라 BB84 프로토콜 및 그 변종에 의한 양자암호통신은 표준화까지 더하게 되어 기술완성도를 더욱 높일 수 있게 되었다. 그러나 양자기기(센서 및 컴퓨터 등) 간의 양자상태를 주고받을 수 있는 양자네트워크, 양자얽힘을 사용한 더욱더 안전한 양자암호 등의 기술에 대해서는 아직도 기술 개발해야 할 부분이 많이 남아 있어서 장비로까지 개발되기에는 시일이 오래 걸릴 것이다. [29]에는 일본 NICT에서 밝힌 양자네트워크의 발전전망을 보여주고 있고, 일반적으로 양자통신의 로드맵은 1:1 암호통신 → 신뢰노드를 통한 1:1 장거리 암호통신→ 가입자망 및 무선가입자를 포함한 암호통신 →양자기기(센서, 컴퓨터 등) 간 단거리 네트워크 → 양자라우터에 의한 장거리 네트워크 → 양자인터넷으로 변화할 것으로 전망된다. 미국과 중국의 양자암호통신서비스는 2번째 단계까지 도달한 상태이다.

양자컴퓨터 분야에서는 1990년대의 이론적 가능성 연구, 2000년대의 POC(Proof of concept) 연구, 2010년대의 안정화 및 확장성 연구를 통해 실제로 작동하는 양자컴퓨터 초기 시제품을 만들어내게 되었다. 양자의 특수한 성질을 이용하기만 하면 양자컴퓨팅으로 볼 수 있기 때문에 다양한 방식의 양자컴퓨터가 존재하고 있고, 이를 지칭하는 용어가 혼용되어서 사용되기도 한다. 따라서, <표 4>에 종류 및 개략적인 현황을 정리하였다. 양자어닐러와 같은 개념을 디지털 회로로 흉내 낸 디지털어닐러가 2018년 발표되었는데, 양자어닐러보다 장점이 있고 응용 가능성이 있어서 분류에 포함시켰다.

각 연구 기관별 양자컴퓨터의 개발 현황[30]을 살펴보면, 초전도 큐빗에서는 IBM, 인텔, 구글이 50여 큐빗, Rigetti, 중국과기대가 10여 큐빗을 개발하고, 이온트랩은 IonQ, 옥스포드 대학, 인스브룩 대학 등에서 20여 큐빗을 개발하였고, 그밖에 중성원자에서는 하버드 대학, 위스콘신 대학 등에서 50여 개 큐빗을 개발하였다. 한편 SW 시뮬레이션에서는 알리바바, Atos, ETH, IBM, 인텔, Microsoft, 멜버른 대학, Rigetti 등에서 40~150큐빗을 에뮬레이션할 수 있도록 개발되었고, 대부분 100큐빗급까지 개발될 것으로 보인다.

IBM, Rigetti, D-Wave, IonQ 등은 자사의 양자컴퓨터 초기 시제품 HW 및 관련 SW를 개방하여 인터넷으로 활용할 수 있는 클라우드 서비스를 제공하여 양자컴퓨터의 사용자 확보 및 큐빗 품질 향상을 위한 피드백을 받고 있다. 이 중 IBM은 상업 서비스인 IBM Q Experience를 시작하였다. 2016년 5월 5큐빗 초전도 양자컴퓨터 클라우드 서비스를 일반에게 공개하였고, 2018년 5월부터 12, 16, 20큐빗 초전도 양자컴퓨터를 5개의 지역허브(뮌헨 대학, 노스캐롤라인주립 대학, 오크리지국립연구소, 멜버른 대학, 옥스퍼드 대학, 게이오대학)와 본사 등 총 6개의 센터에서 유료 회원사에 양자컴퓨터 사용권 제공 및 기술지원 중이다[2]. Rigetti는 2017년 19큐빗 초전도 양자컴퓨터를 공개하였으나 서비스를 중단하고 2018년 6월 8큐빗 초전도 양자컴퓨터를 공개한데 이어 2019년 1월에는 SW 툴을 공개하고 30여 명의 베타 사용자에게 1개월간 5,000달러 상당의 사용권을 제공하고 있다[31]. 또한, Rigetti는 초전도 큐빗의 성능을 대폭 향상시켜 T1을 100μs, 2큐빗 연산 피델리티 99.2%를 발표[32]하였다. D-Wave는 2018년 10월 2,000큐빗 초전도 양자어닐러 클라우드 서비스를 개발자에게는 무료로, 상업적 이용에 대해서는 월간 1시간에 대해 2,000달러로 제공하는 서비스를 발표[33]하였다. IonQ는 2019년 초에 11개 이온큐빗(2큐빗 피델리티 98%) 양자클라우드 서비스를 선정된 베타 사용자에게 제공[34]하기 위해 지원자 모집 중이다. 또한, 2018년 2월부터 중국과학원의 11큐빗 초전도 양자프로세서와 알리바바의 SW 툴과 클라우드 서비스 기술로 서비스[35]하고 있다. 한편, 영국의 브리스톨 대학에서는 6큐빗의 광양자컴퓨터에 대해 실제 동작하는 광양자컴퓨터뿐만 아니라 SW 시뮬레이션 서비스를 ‘Quantum in the Cloud’라는 이름으로 제공하고 있다[36]. 특기할 만한 사실은 잡음환경을 고려한 계산결과를 SW 시뮬레이션해 볼 수 있는데, 다음에 설명할 NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum) 양자컴퓨터의 성능을 가늠해 볼 수 있을 것이다.

2018년 1월 칼텍의 John Preskill 교수는 현재 개발된 양자컴퓨터의 성과를 높이 평가하고 활용성을 찾아주기 바라는 뜻으로 NISQ 시대라고 명명[37]하였다. 이것은 에러가 정정되지 않은 50~100큐빗의 중간규모 양자컴퓨터 시대라는 뜻으로 양자컴퓨터의 잠재력에 대해 설명하고, 결함 허용 양자컴퓨터까지는 아직 먼 꿈이지만 이제 중요한 방점을 찍은 상태로서 슈퍼컴퓨터로 구현 가능한 수준인 50큐빗을 넘어서게 되었다는 것과 에러율이 0.1%라고 하더라도 1,000큐빗이라면 적어도 1개 큐빗은 에러라는 뜻이 되므로 계산결과를 신뢰할 수 없게 되는데(현재 에러율은 그보다도 훨씬 높아서 수 %에 이른다), 이러한 잡음 환경을 고려해야 하는 것 등을 지적하였고, 이외에도 NISQ 양자컴퓨터에 의한 계산속도향상을 가져올 수 있는 수학 계산 분야는 최적화, 양자어닐링, 잡음탄력양자회로(Noise-Resilient Quantum Circuit), 양자딥러닝, 양자역행렬, 양자추천, 양자 Semidefinite 프로그래밍, 양자시뮬레이션, 양자게임 등에서 가능할 것으로 말하고 있다. 이러한 사실로 미루어 볼 때, 양자컴퓨터는 모든 계산을 만능으로 할 수 있는 것이 아니고 제한된 수학계산에서 위력을 발휘할 수 있다는 것이다.

특이한 것으로, 2018년 7월, 18세의 Ewin Tang[38]은 양자추천 알고리즘이 양자적 알고리즘임에도 불구하고 고전컴퓨터에서도 구현 가능하고 지수함수적으로도 빠르다는 것을 밝혀서 양자에 기반한(quantum-inspired) 고전알고리즘으로도 구현 가능한 알고리즘들에 대한 추가 연구가 진행 중이다.

2018년 12월, 워싱턴 정가를 위한 국가자문, 의견수렴 등을 지원하는 비영리 단체인 과학, 공학, 의약 아카데미는 미국국가정보국의 지원을 받아 구글의 John Martinis 교수, MS의 Krysta Svore 등 약 50여 명 전문가의 의견을 참고하여 ‘Quantum Computing: Progress and Prospects’라는 보고서를 발간[39]하였다. 양자컴퓨터의 전산 모델링은 1980년대에 제안되었고, 1990년 Shor알고리즘으로 암호해독 가능성을 제시한 이래 25년이 지난 지금, 시연 가능한 큐빗을 만들 수 있게 되었으며, 민간에서도 많은 투자를 하게 되었다. 그러나, 향후 발전전망을 위해서는 해결해야 할 문제를 다음과 같이 제시하고 있다. 2큐빗 연산 에러율은 수퍼센트에 이르고 있어서 에러율을 낮추어야 하고, 이를 보정하기 위한 양자에러정정 기술, 고전데이터의 효율적 양자데이터 변환 기술, 양자의 이점을 활용할 수 있는 다양한 양자알고리즘, SW 툴체인, 관측붕괴에 의한 디버깅 불가 극복방법 등이다. 또한, ‘궁극적인 양자컴퓨터’(아마도 수천 큐빗의 논리큐빗과 양자메모리를 갖춘)를 개발하기까지 시간표와 로드맵 제시도 어렵고, 이러한 도전이 성공하리라는 보장이 없음을 인정하지만, 다음과 같은 노력을 통해 진전을 이룰 수 있을 것을 말하고 있다. 기술혁신 속도에 영향을 줄 수 있는 요인을 분석, 기술진행상황을 모니터링할 수 있는 평가지표개발, 아이디어와 인력을 공유할 수 있는 개방형 연구개발 생태계 구축(전산, 수학, 물리, 화학, 재료 등 여러 과학분야의 통합 포함), NISQ 양자컴퓨터의 상업화 성공을 이룩하기 위한 상용 SW 개발과 응용성 증명을 통한 성과 입증 등이다. 그러나, 현재의 양자컴퓨터는 에러에 자유롭지 못하므로 실제 계산결과의 신뢰도가 낮아서 상업적 성공 여부에 대해 많은 우려가 있고, John Preskill 교수가 내준 2017년도 숙제였던 슈퍼컴퓨터보다 빠르다는 것을 보여주는 ‘양자우월성’ 증명도 아직 인정받지 못하고 있다. 또한, 암호해독을 우려한 정보보호 분야에서는 양자컴퓨터에서도 안전한(Quantum-Safe) 암호(PQC: Post-Quantum Cryptography)를 개발하고 있고 표준 제정으로까지 이어지고 있는데, 암호표준을 제정하는 NIST(National Institute of Standards and Technology)에서 2019년 1월 PQC 표준기술 2차 후보 기술을 발표[40]하는 등 속도를 내고 있는 상황이다. 따라서, 지금부터 양자컴퓨터의 응용분야를 확장하고 유용성을 밝혀내지 않으면 많은 시간과 자원을 들여 어렵게 완성되어도 응용가능성이 없어서 사장될 수도 있다는 것을 솔직하게 말하고 있다.

양자자기장센서, 양자중력센서, 양자이미징이 미국, 중국, 유럽 등에서 연구되고 있다. 양자센서는 C. W. Helstrom[41]이 1969년에 랜덤잡음 속에서 신호검출을 위한 통계적 판단이론의 양자역학적 해석과 밀도연산에 의한 양자적 추정방법 등에 대한 이론으로 양자 시스템에서 센싱 가능함을 보였다. 그러나, 실 양자시스템은 2010년 이후에나 사용 가능해졌고 대부분의 양자센서가 실험실에서 연구 중에 있다. 다만, 자기장센서와 중력센서는 의료분야 적용과 GPS(Global Positioning System) 대체의 유용성 때문에 일부 분야에서는 상업적으로 이용되고 있다. (그림 1)에는 영국 버밍엄 대학의 양자센서허브[42]에 참여하는 기업현황을 보여주고 있는데, 전통적으로 센서가 필요한 업체들 참여가 많은 만큼 새로운 양자센서에 대한 니즈를 알 수 있다.

(그림 1)

영국 양자센서허브의 업종별 참여 기업 현황[42]

양자자기장센서, 양자중력센서는 미국, 중국에서 GPS를 대신할 양자네비게이션 기술로 주목받고 있고, 미해군연구소 등 국방관련 분야에서 연구가 진행되고 있어서 국방분야에 활용될 것으로 예측된다. 관성항법장치에 의존할 수밖에 없는 핵잠수함의 경우 양자네비게이션 장치를 사용하게 되면 100일 동안 수면 위로 떠오르지 않고 운행하여도 수백 미터 정도 오차범위 내에서 위치확인이 가능하다고 한다[11]. 향후, 단순 센싱을 넘어서서 차세대 양자기술로 발전하여 국방, 자원, 헬스케어, 토목 등 기존 기술과 융합하여 응용될 것으로 전망되는데, 스텔스 전투기를 잡아낼 양자레이다, 자율주행을 위한 양자라이다 등의 미래 양자기술로 발전해갈 것으로 전망된다.