초고속, 장거리 전송, 비밀 보안 등에서 우위를 선점한 '양자 통신(quantum communication)'은 최근 전 세계 정보 과학 분야의 주요 연구 주제로 떠올랐고, 중국 역시 이 분야에서 조금씩 자리를 잡아가고 있습니다.

  전 세계적으로 정보 기술이 빠르게 발전하면서, 마이크로일렉트로닉스(microelectronics) 기술을 기반으로 한 정보 기술은 향후 물리적 한계점에 다다를 것입니다. 양자 효과를 기반으로 한 양자 통신이야말로 미래 과학 기술의 발전을 이끄는 중요한 영역이며, 향후 새로운 기술 혁명이 펼쳐질 것입니다. 양자 통신이란 양자역학의 기본 원리와 특징, 측정법을 통해 정보 전달을 실현한 통신 기술입니다. 양자 통신은 양자 암호 통신, 양자 장거리 이동, 양자 고밀도 코딩 등의 기술을 포함합니다. 최근 양자 통신은 이론 중심에서 실험 중심으로 변하며, 실용화 단계로 발전하고 있습니다. 높은 효율과 보안도 등을 특징으로 양자 통신은 이미 국제 사회에서 양자 물리와 정보 과학의 주요 연구 주제로 자리매김했습니다.

 양자 통신 기술의 빠른 발전은 20세기 여러 과학자가 양자 영역을 개척한 덕분입니다. '불확정성의 원리'와 '복제 불가의 원리'는 양자 통신에 있어 가장 중요한 두 가지 기초 이론이라 할 수 있습니다.

 미시 세계에서 일부 물리량의 변화는 연속적인 것이 아닌 가장 작은 기본 단위를 통해 비약적으로 이루어진 것입니다. 이 가장 작은 기본 단위를 '양자'라 하며 여기에는 원자, 전자, 광자(빛의 양자) 등이 있습니다. 한 세기 동안 인류는 연구를 통해 양자역학이라는 중요한 학문을 형성하기 시작했습니다.

 1927년 독일의 유명한 과학자인 하이젠베르크는 불확정성의 원리를 발견했습니다. 하이젠베르크는 위치, 운동량, 방위각, 운동량의 모멘트, 시간과 에너지 등 양자의 일부 물리량은 동시에 정확한 수치를 가질 수 없으며, 양자 하나의 수치가 정확해질수록 다른 양자의 불확정성은 더 커진다고 주장했습니다.

 양자 복제 불가능성은 양자역학의 또 다른 기본 원리입니다. 만약 회전하고 있는 동전이 양자 세계의 물체라면, 동전을 복제하려 할 때 이를 반드시 측정해야 하고 이러한 행위는 동전의 운동 상태를 바꾸게 됩니다. 다시 말해 임의로 양자 상태를 복제하거나 측정할 경우 변화가 나타날 수 있다는 것입니다. 간단히 말해서 양자를 복제하게 되면 이는 더 이상 기존의 양자가 아님을 의미합니다.

 양자역학에는 '양자 얽힘(quantum entanglement)'이라는 또 다른 신기한 현상이 존재합니다. 양자 물리에서 출처가 동일한 입자 간에 얽힘 관계가 존재하게 되면 두 입자가 얼마나 떨어져 있는지에 상관없이, 한 입자에 변화가 나타나는 즉시 또 다른 입자에게 영향을 줍니다. 즉, 얽힘 상태에 있는 두 개의 입자는 거리에 상관없이 상대의 상태를 감지하고 영향을 줄 수 있습니다. 이것이 바로 양자 얽힘 현상입니다.

 아인슈타인은 우주의 구성 부분은 서로 연관이 없으며 이들 사이의 상호작용은 시공의 제한을 받는다는 국소성의 원리를 주장했습니다. 아인슈타인과 또 다른 위대한 과학자 닐스 보어는 양자역학의 물리적 해석 그리고 과학과 철학 문제에 있어 큰 대립을 보였습니다. 이는 '영혼의 물리학 논쟁'이라 불립니다. 보어를 필두로 하는 코펜하겐 학파는 '모든 물질은 거리에 상관없이 서로 영향을 주며 시공간의 제약을 받지 않는다'는 비국소성 원리를 주장하며 우주는 암흑 속에서 깊은 내적 연계가 존재한다고 주장했습니다. 이러한 과학과 철학 문제의 논쟁은 오랜 시간 동안 계속됐으며 과학 발전사의 중대한 사건이 됐습니다.

 아일랜드 물리학자 벨은 보어의 이론을 지지하기 위해 1962년 '벨 부등식(Bell's inequality)'을 발표해 양자 물리는 절대적으로 국소성 원리에 부합하지 않음을 증명했습니다. 최근 몇 년간 벨 부등식은 다양한 실험을 거쳤고, 그 결과 양자역학론에 부합하며 일부 양자 효과는 광속으로 전달할 수 있다는 점까지 입증했습니다. 주요 양자역학 교과서에도 이미 '벨 정리(Bell's theorem)'를 기초 물리의 정리로 여기고 있습니다. 그뿐만 아니라, 1982년 프랑스 물리학자인 알랭 아스펙트와 연구팀은 입자의 양자 얽힘 현상이 실제로 존재함을 성공적으로 증명했습니다.

 온라인에서는 많은 양의 민감한 정보가 공유되기 때문에 항상 개인 정보를 보호하고 도용에 유의해야 합니다. 현재 일반적으로 사용되고 있는 암호학 보안 시스템은 해독이 가능하다는 위험이 있습니다. 과학자들은 '양자 암호'의 개념을 통신 시스템에 성공적으로 적용했고, 이전의 암호 시스템과 달리 양자학의 불확정성의 원리와 복제 불가의 원리를 바탕으로 양자 암호를 만들어 냈습니다.

 과학자들은 양자 얽힘 효과를 활용해 '양자 암호 통신'이라는 보안 시스템을 만들었습니다. 통신 연결 전에 양측은 먼저 대량의 얽힘 입자를 비축합니다. 한 통신자가 자신의 얽힘 입자에 일정 조작을 가할 때 얽힘 상태에 있는 다른 통신자의 입자는 이에 상응하는 반응을 합니다. 그리고 양측은 이러한 '감지'를 통해 결합점을 만들어 통신에 필요한 비밀번호를 생성합니다.

 두 통신자는 BB84 프로토콜이나 양자 얽힘 효과를 통해 통신 정보에 보안을 추가한 비밀번호를 얻을 수 있습니다. 하지만 양자 통신은 아직 환경 소음이나 도청자 존재를 이유로 양자 전송, 데이터 선별, 데이터 교정, 보안 강화의 네 가지 과정이 필요합니다.

 전형적인 양자 통신 시스템은 다음과 같이 설명할 수 있습니다. 전송 문서는 양자 통신 시스템의 '비밀번호 암호화 방식(secret key encryption)'을 통해 물리적 입자의 전달이 아닌 큐비트(qubit)를 전송합니다. 양자 상태에 정보를 기록해 전송하여 공격자가 도청을 위해 양자 상태를 측정하는 순간 양자 상태 자체가 변화합니다.

 양자 통신 이론을 실현하기 위해 1990년대 국내외 여러 과학자들이 수차례 연구를 진행했습니다. 1993년 미국 IBM사의 연구원이 양자 통신 이론을 제시했고, 미국 국립과학재단과 미국 국방부 첨단연구 프로젝트국(DARPA)이 해당 프로젝트에 대해 심층 연구를 진행했습니다. 유럽에서는 1999년 국제 원조를 동원해 양자 통신 연구에 힘을 쏟았으며 연구 프로젝트의 수가 이미 12건을 넘었습니다. 일본도 양자 통신을 21세기 전략 사업으로 지정했습니다. 중국 또한 1980년대부터 양자광학 연구를 시작했고 최근 몇 년 동안 중국 과학기술대학 양자 연구팀은 양자 통신 분야에서 뛰어난 성과를 거두었습니다.

 2002년 10월 5일, 독일 뮌헨대학교와 영국군 산하 연구기관이 협력하여 독일과 오스트리아의 추크슈피체산과 카르벤델산맥 사이(약 23.4km)에 레이저를 이용해 광자 비밀키를 성공적으로 전송했습니다.

 2003년에는 한국, 중국, 캐나다 등의 과학자가 미끼 상태(Decoy state) 양자 암호 이론법을 제기하여 기존 시스템과 기술 조건에서 양자 통신의 안정 속도가 거리에 따라 증가하거나 심각하게 끊기는 문제를 완벽하게 해결했습니다.

 2004년 6월 3일, 미국 BBM테크놀로지사가 양자 암호 통신 네트워크 6개 구간을 구축했습니다. 2006년 여름에는 중국 과학기술대학 양자 연구팀과 미국 로스앨러모스 국립연구소, 유럽 뮌헨대학교와 빈대학교의 공동 연구팀이 각각 미끼 상태(decoy state)법을 실현하는 동시에 100km 이상의 미끼 상태 양자 암호 비밀키 발신 실험에 성공하며 양자 통신 응용화의 시작을 알렸습니다.

 2008년 말, 중국 과학기술대학 양자 연구팀은 미끼 상태를 바탕으로 한 광섬유 양자 통신 시스템을 성공적으로 개발해 허페이 지역에 세계 최초로 3구간 광양자 전화망을 설립했습니다. 이것으로 매우 안전한 양자 통신망 실용화 실험 연구 결과를 전 세계에 알린 두 연구팀 중 하나가 됐습니다.

 2009년 9월, 중국은 광양자 전화망 세 곳을 기반으로 다시 세계 최초의 올패스 양자 통신망을 통해 실시간 음성 양자 보안 통신을 구축하며 중국의 도시 지역 양자 네트워크 핵심 기술이 산업화 수준에 이르렀음을 입증했습니다.

 2010년 9월, 중국 과학기술대학과 중국과학원 상하이 기술 물리 연구소, 중국과학원 광전연구소 등의 양자 통신 연구팀이 협력하여 칭하이 지역 호숫가에서 열기구와 위성 운동 모의 실험인 양자 암호 비밀키 분배 실험을 세계 최초로 성공했습니다. 이는 중국이 '위성-지면 양자 통신 건설'이라는 양자 통신의 핵심 기술을 뛰어넘어 향후 전 세계 양자 통신망 실현에 튼튼한 기초를 다졌음을 보여줍니다.

수정 시작- 2016년 8월 16일, 중국 과학기술대학과 중국과학원 상하이 기술물리 연구소, 중국과학원 광전연구소, 소위성연구소 등의 양자 통신 연구팀이 함께 만든 양자 통신 위성 '묵자호' 발사에 성공했습니다. 세계 최초의 양자 과학 실험위성인 묵자호를 활용해 하늘과 육지 간 통신을 하나로 연결해 양자 보안 통신과 과학실험 시스템을 구축했습니다.

 현재 양자 통신 시스템 응용 연구는 광섬유와 자유 공간이라는 두 가지 주요 전송 매개체를 기반으로 하고 있습니다.

 광섬유를 바탕으로 레이저, 광섬유, 컴퓨터, 통신, 인터넷 등의 기술을 묶어 교환하는 방식으로 정보 데이터를 전송하는 '정보 고속도로'는 이미 광범위하게 사용되고 있으며 관련 기술도 크게 발전했습니다. 그리고 이는 광섬유를 기반으로 한 양자 통신 연구 진행에 유리한 조건을 형성했습니다. 현재 광섬유 양자 통신 연구 성과는 실질적인 활용에 가까워졌으며, 향후 몇 년 내에 광섬유 양자 통신 시스템이 실제 통신 보안에 응용될 것입니다. 하지만 지구 곡률의 영향과 광섬유 소모의 증가로 인해 지면 간 장거리 양자 통신은 쉽지 않은 상태입니다. 예를 들어 광섬유의 광자 감소 문제로 인해 얽힘 상태에 있는 두 점 사이의 거리는 100km밖에 되지 않습니다. 하지만 자유 공간에서의 광자 전송은 이 문제를 해결할 수 있어 위성-지면 양자 통신이 더욱 주목받고 있습니다.

 광활한 우주에서 위성과 지면 간의 양자 통신을 실현하려면 가장 먼저 ATP 시스템을 통해 양자 암호에 필요한 통신 루트를 만들어야 합니다. 또한, 위성-지면 레이저 통신 발전을 위해 만든 광학 위치 조정, 관측, 추적 등의 기술적 뒷받침이 우선되어야 합니다. 양자 암호를 통해 통신 사슬을 만들면 통신 시스템은 단일 광자의 편광 상태를 활용해 정보를 로딩하고, 통신자 양측은 적합한 양자 암호를 사용해 매우 안정적인 동시에 도청이 불가능한 비밀번호를 공유할 수 있게 됩니다. 이렇게 비밀번호를 로딩하고 기존의 정보 루트로 전송해 위성-지면 간 양자 통신이 가능해지는 것입니다. 위성이라는 매개체를 통해 위성-지면 간 양자 통신을 실현할 수 있을 뿐만 아니라 전 세계에 임의적인 p2p(peer to peer) 양자 통신 또한 이룰 수 있습니다.

 중국과학원은 자유 공간 내 양자 통신 영역에서 일어나는 치열한 국가 간 경쟁에 대응하기 위해 2008년 지식혁신공정 주요 사업(공간 척도 양자역학 관련 기술 연구 및 실험)을 시작했습니다. 그 후 몇 년 동안 모든 과학팀은 판젠웨이 원사의 지도 하에 끊임없는 노력으로 큰 발전을 거두었습니다. 일례로 양자 통신 위성에 필요한 ATP 시스템 기계 샘플의 성공적인 개발, 개선된 위성-지면 양자 통신 시스템 방안 제안, 위성-지면 양자 통신의 핵심 기술 제작, 칭하이 지역 호숫가에서 세계 최초의 열기구 양자 암호 비밀키 발송 실험, 100km 양방향 양자 얽힘 발송 실험, 100km 양자 전송 실험 등이 있습니다. 연구팀은 프로젝트를 실시하면서 수십 편의 논문을 함께 발표했고, 그중 다수가 <네이처>, <미국 국립과학원회보(PNAS)>, <피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)> 등 세계적인 학술지에 실렸습니다. 이 사업을 통해 중국은 공간 양자 통신 영역에서 우수하고 젊은 연구 단체를 양성해 양자 통신의 장기적인 발전 그리고 중국의 국제적 위상 유지에 큰 기초를 다졌습니다. 또한, 이 단체는 2016년 8월 묵자호 발사를 통해 서양 국가를 뛰어넘는 최초의 위성-지면 양자 통신을 실현하기도 했습니다.

 현재 많은 국가에서 양자 통신을 위성 플랫폼에 적용하기 위한 계획을 세우고 있으며, 중국 역시 이를 위해 많은 준비를 하고 있습니다. 중국과학원은 이를 기회로 2008년 정식으로 위성-지면 양자 통신 계획을 가동했고, 2016년에는 묵자호, 톈궁 2호로 위성-지면 양자 통신을 최종적으로 실현했습니다. 10여 년간의 끊임없는 노력으로 중국은 양자 통신 연구에서 선진국 반열에 들어섰습니다.