‘꿈의 기술’이라 불릴 만큼 우리 삶에 획기적 변화를 가져다 줄 양자기술 연구가 진전을 거듭하고 있다. 특히 양자기술의 기본원리를 이용하는 양자통신은 기존의 난제들을 극복하며 차세대 통신기술로 그 입지를 다지고 있는 중이다.

만약 양자통신이 상용화 된다면 통신기술에 엄청난 변화를 가져다 줄 것이 분명하다. 빠른 속도, 정확한 정보전달 등 기존 전자기파에 비해 많은 장점이 있기 때문이다. 그 중에서도 양자통신기술이 주목받는 가장 큰 이유가 바로 완벽에 가까운 보안기능이다.

현재는 전송중인 정보를 중간에서 몰래 빼내거나 열어보는 일이 쉽게 이뤄졌으며, 그 정보를 주고받는 사람들은 중간에 손실이 있었는지에 대해 아는 것이 매우 힘들다.

하지만 양자통신은 특성상 정보 전송 중 도청이나 해킹 등으로 약간의 변화가 일어난다면 송수신자가 그것을 확실하게 확인할 수 있다. 또한 해킹을 하는 행위 자체만으로 정보를 변형 또는 파괴시킬 수 있기 때문에 거의 완벽에 가까운 보안능력을 지니는 것이다.

최근 들어 악성코드, 바이러스, 좀비PC(악성 봇) 등 각종 정보보안 문제들이 대두되고 있다. 이에 철통같은 보안을 자랑하는 양자통신기술의 상용화에 많은 사람들이 주목하고 있다.

획기적 속도와 보안능력 갖춰

양자기술은 빛의 입자인 광자나 전자와 같이 크기가 매우 작은 세계에서 나타나는 특수한 현상을 이용한 기술이다. 이 미시세계에서는 입자들의 위치나 운동 상태 등이 매우 불확실하다.

그렇다면 정보를 표시하는 입자의 정확한 위치조차 모르고 있는데 어떻게 최고의 기술이라 할 수 있을까. 양자기술은 바로 이와 같은 불확실성을 역이용한 것이다.

입자에게 2가지의 상태가 존재 가능하다고 할 때, 우린 그 입자가 어떤 상태인지 정확히 알 수는 없다. 하지만 1번 상태가 아님을 측정함과 동시에 입자가 2번 상태임을 확인 할 수는 있다. 이는 그 반대도 마찬가지 2번상태가 아님을 관측하는 순간 입자는 1번 상태를 띈다.

이는 해당 입자가 동시에 2개의 정보를 표현 할 수 있음을 의미한다. 이로써 입자의 수가 늘어날수록 현재의 기술과 비교했을 때 엄청난 정보표현력의 차이를 보이는 것이다. 이와 같은 현상을 ‘양자 겹침’이라 하며 이는 정보를 저장하거나 표현하는데 사용된다.

양자통신에서 주목해야 할 부분이 이런 정보들을 전달하는 방법이다. 양자기술이 가지는 또 다른 성질인 ‘얽힘’현상이 그것이다. 이 또한 앞서 언급한 것과 같은 원리를 가지고 있다. 양자역학적으로 상호작용하는 두 입자는 그들이 갖는 상태 중 하나인 스핀 양자수가 반대로 나타나게 된다. 이는 이론적으로 아무리 멀리 떨어져 있어도 동일한 현상을 보이게 되며 이를 이용한 것이 바로 양자통신이다. 만약 한 입자의 상태가 결정이 된다면 그와 상호작용하는 다른 입자가 어디에 있든 그와 정반대되는 상태를 띄게 되기 때문에 매우 정확하고 빠른 정보전달이 가능한 것이다.

실용화 앞당길 효율성 향상, 중계기 개발

하지만 이와 같은 양자 얽힘을 이용하는 데는 많은 어려움이 있다. 우선 얽힘 현상을 일으키는 입자의 밀도가 매우 부족하다. 보통 100개의 파동 중 1개미만의 파동만이 광자 얽힘을 가지고 있기 때문에 아무리 양자기술이 표현할 수 있는 정보량이 많다고 해도 비효율적일 수밖에 없다.

하지만 지난해에 이 문제를 해결할 수 있는 기기가 개발됐다. 프랑스 나노구조광자연구소(LPNS)와 폴란드 바르샤바대 물리학과의 공동연구로 제작된 기기는 기존에 비해 약 20배나 더 높은 성능으로 얽힌 광자를 만들 수 있어 효율성을 대폭 향상시키는 계기가 됐다.

또 다른 문제는 이 양자 정보들이 전송되는 과정에서 신호가 약해진다는 것이다. 물론 얽힘 현상은 아무리 거리가 멀리 떨어져 있다 하더라도 발생하지만 신호가 약해져 상태를 파악할 수조차 없는 상황이 된다면 도저히 통신으로 이용할 수 없다. 약해지는 신호를 증폭시키기 위해 중계기를 설치할 수도 있겠지만, 이것도 양자통신에서는 쉬운 일이 아니다.

전송 도중 중간에 신호에 변화를 주게 되면 얽힘 현상이 깨지고 정보 자체에 변화가 생길 수 있기 때문이다. 이는 신호를 증폭시키는 중계기에서도 마찬가지로 일어날 수 있는 현상으로 압도적인 보안능력을 갖출 수 있는 장점이 정보 전달에 있어서는 단점으로 작용하는 것. 지금까지 얽힘 상태를 교란하지 않고 중계할 수 있는 시스템은 단일 원자 또는 원자 증기를 이용하는 방법밖에는 없었다.

하지만 이는 양자통신을 실용화하기엔 부족한 방법이다. 안정적인 통신기술로써 사용하기 위해선 고체 상태에서 이와 같은 광자 흡수와 재방출이 교란 없이 이뤄져야 하기 때문이다. 하지만 이 어려운 문제들을 해결할 수 있는 기술이 최근 개발·시연됐다.

이는 바로 고체 디바이스를 이용해 양자 신호 중계를 가능케 하는 기술이다. 캐나다 캘거리대와 독일 파더본대 공동 연구팀은 툴륨(thulium)이라는 희토류 이온이 주입된 리튬 니오베이트(lithium niobate)를 사용해 이를 증명했다. 얽힘 상태에 있는 광자 중 한 개가 흡수된 후 여기원자 상태로 저장되고, 그 얽힘 상태를 파괴하지 않은 새로운 광자를 방출 할 수 있다는 것 .

도한 스위스 제네바대 연구팀 역시 네이디뮴(neodymium)이 주입된 이트륨 실리케이트(yttrium silicate)를 사용해 이와 같은 성과를 거뒀다.

여전히 문제점 있지만 실용화 가능성 높아

이로써 얽힘 현상을 보이는 광자의 방출 효율을 높이고 그것을 손실 없이 전달할 수 있는 기술까지 갖췄으니 기본적인 문제들은 거의 해결한 셈이다.

하지만 여전히 문제점은 남아있다. 흡수된 얽힘 상태의 광자를 저장하는 시간을 변화시킬 수 없다는 것이나 저장된 광자의 파장이 국제 통신 표준에 맞지 않는다는 점 등이다. 효율성 역시 아직까지 지적되고 있는 부분이다. 

하지만 양자통신의 장점이 분명한 이상, 많은 과학자들은 관련 연구에 심혈을 기울이고 있으며, 그로 인해 실용화 가능성이 점점 높아지고 있다. 이는 특히 양자정보처리를 이용한 양자 컴퓨터와도 관련, 향후 정보통신기술의 획기적인 발전을 가져다 줄 것으로 기대된다.