'양자인터넷' 구축 위한 우선순위와 해결과제
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'양자인터넷' 구축 위한 우선순위와 해결과제
  • 입력 2020-07-29 08:58
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美 DOE  제시 4가지 우선 순위와 5가지 해결과제
DOE는 노드 3개로 80마일(128.7km) 구간 테스트베드 구축 계획

지난 23일(현지시간) 미국 에너지부(DOE)가 산하 국립연구소 및 민간 사업자와 함께 21세기 가장 중요한 기술 중 하나로 꼽히는 양자인터넷망 구축을 위한 청사진을 발표했다.

발표에서 언급한 바와 같이 양자 연구를 위한 선도적 글로벌 허브의 하나가 된 시카고 지역에서는 이미 양자 인터넷 구축이 진행 중이다. 지난 2월, 일리노이 주 레몬트에 있는 DOE 아르고네 국립 연구소와 시카고 대학의 과학자는 시카고 교외에 있는 52마일(83.6km)의 '양자 고리'로 광자를 엮어 미국에서 가장 긴 지상파 양자 인터넷을 성공적으로 구축했다.

테스트베드 예상도(사진=아르고네 연구소 홈페이지)

이 양자 인터넷은 곧 일리노이 주 바타비아에 있는 DOE 페르밀 연구소에 연결, 노드 3개를 가지고 80마일(128.7km) 길이의 테스트베드를 구축할 계획이다.

양자 네트워크는 광섬유 인프라를 사용할 것으로 예상된다. 특수 섬유가 이 기술의 광범위한 보급을 가능하게 할 수도 있다. 적어도 단기적으로는 위성 기반의 얽힘 "브리지" 를 사용해 대륙간을 비롯해 대서양을 횡단하는 큐랜(Q-LAN)을 직접 연결할 수 있다.

예비 추정치에 따르면 복잡한 쌍은 중간 지구 궤도(MEO)위성의 단일 패스에서 속도를 106배 초과해 공유될 수 있다. 이러한 능력은 효율적이고 견고한 리피터가 개발되는 동시에 중요한 중간 단계가 될 수 있다.

지난 2월 5일~6일 DOE가 진행한 워크숍에서 발표한 보고서에는 양자인터넷 구축을 위한 4가지 우선 순위와 5가지 해결과제를 공개했다.

(사진=셔터스톡)
(사진=셔터스톡)

4가지 우선 순위는 다음과 같다.

◇ 양자 인터넷을 위한 기초 구성 요소를 제공

양자 인터넷 실험은 기능과 성능이 제한된 장치에 의존하고 있다. 하지만 기존인터넷과 같은 광역적이고 운영적인 양자 인터넷을 만들기 위해서는 추가적인 기능을 갖춘 더 유능한 장치가 필요하다. 새로운 장치는 신뢰성, 확장성, 유지 관리에 대한 요구 사항을 충족해야 한다. 또 잠재적 인터넷 장치에는 △공간 대 접지 연결, △고속 저 손실 양자 스위치, △양자 소스를 위한 다중화 기술ㆍ변환기, △광학 및 통신 체제에서 전자파를 포함한 양자 컴퓨팅 영역 전환이 포함될 수 있다.

◇ 여러 양자 네트워킹 디바이스를 통합

현재 일반적으로 양자 인터넷 구성 요소는 연구소 수준의 준비 상태다. 또한 아직 완전한 인터넷 구성에서 운영 상태를 유지하지 못하고 있다. 앞으로 캐스케이드 작동 및 연결을 달성하는  중요한 과제는 △운영 특성을 통합하고, △높은 반복 속도(GHz)를 달성하고, 캐스케이드 작동 손실을 보상하기 위해 양자 메모리 버퍼 및 검출기를 개발하는 일이다.

◇ 양자 얽힘을 위한 반복, 전환, 라우팅 생성.

멀티 홉 네트워크는 네트워크를 통한 경로 선택과 함께 신호를 강화하고 반복하는 수단을 필요로 한다. 기존 네트워크에서는 물리적 및 소프트웨어 솔루션이 사용되지만, 양자 네트워크에서는 이와 동등한 솔루션이 발견되지 않았습니다. 여러 사용자에 대한 다양한 형태의 양자 얽힘 스왑 및 양자 순간 이동 프로토콜과 기존 네트워크를 최적의 제어 및 운영을 위한 양자 네트워크 기술과의 조정 및 통합이 과제입니다.

◇ 양자 네트워킹 기능의 오류 수정 기능을 사용하도록 설정하십시오.

양자 네트워크에 대한 근본적인 차이는 장거리 발전이 필수적인 네트워크 기능인 얽힘이 본질적으로 네트워크의 물리적 계층에 존재한다는 사실에서 발생한다. 이는 공유 상태가 일반적으로 상위 계층에만 설정되는 기존 네트워킹과는 다릅니다. 이러한 맥락에서 해결책은 관련 분포 및 결정론적 순간 이동을 지원할 수 있는 네트워크 장치 충실도 수준과 손실을 보상하고 작동 오류 수정을 허용할 수 있는 양자 리피터 체계를 보장할 수 있는 방법을 찾아야 합니다.

SDN 컨트롤러가 고전적 스위치와 양자 스위치에 모두 연결된 3노드 양자 네트워크의 설계도(사진=DOE 보고서)
SDN 컨트롤러가 고전적 스위치와 양자 스위치에 모두 연결된 3노드 양자 네트워크의 설계도(사진=DOE 보고서)

다음은 5개의 해결과제다.

◇ 광섬유 네트워크를 통한 안전한 양자 프로토콜의 검증 양자 네트워크를 정밀 측정

양자 인터넷 프로토 타입에서 최종 사용자는 양자 상태를 수신하고 측정하지만, 얽힘이 반드시 관련된 것은 아니다. 사용자는 비밀 번호를 노출하지 않고도 비밀 번호를 확인할 수 있으며, 두명의 최종 사용자가 자신에게만 알려진 개인 키를 공유할 수 있다. 이러한 종류의 네트워크에서 달성해야 할 애플리케이션으로는 타이밍 변동, 쿼드 손실 및 오류에 대한 노드 사이의 양자 키 분배(QKD)가 필요하다.

◇ 캠프 간 및 시내 간 배전망

양자 인터넷에서는 두 최종 사용자가 서로 얽혀 있는 상태를 얻을 수 있으므로 결정론적 또는 통신적 방식으로 양자 얽힘을 종단 간으로 생성하고 국지적인 측정을 해야 한다. 양자 인터넷은 측정 장치 독립적인 QKD및 양자 암호화와 같은 장치 독립적인 프로토콜의 구현을 가능하게 해 강력한 양자 암호화를 제공한다. 변동ㆍ손실ㆍ오류의 허용 오차가 이정표1의 클래스보다 낮다. 기존 인터넷과 양자 인터넷의 초기 통합이 존재한다.

◇ 얽히고설킨 양자 메모리를 통한 간헐적 양자 통신

양자 인터넷에서 모든 두 최종 노드는 얽힌 양자 정보를 얻고 저장할 수 있으며 서로에게 양자 정보를 텔레포트 할 수 있다. 엔드 노드는 수신되는 5비트에 대해 측정 및 작업을 수행할 수 있다. 최소 메모리 저장 요구 사항은 원형 트립 클래식 통신을 위한 시간에 의해 결정된다. 이 양자 네트워크 단계는 단일 양자 컴퓨팅 서버에 연결할 수 있는 단일 양자를 준비하고 측정할 수 있다는 점에서 제한된 클라우드 양자 컴퓨팅을 가능하게 한다.

◇ 계단식 양자 반복기 네트워크 연결을 이용한 주간지 양자분해분포

기존 및 양자 인터넷 기술이 통합됐다. 연속적인 규모의 거리에 대한 손실 및 운용 오류에 관한 양자 중계기와 양자 오류 수정 통신이 성공적으로 연결해야 한다. 연결한다면, 더 먼 거리를 커버하는 운영상의 얽힘 분배 네트워크를 구축할 수 있는 길을 열어 사상 최초의 양자 인터넷을 만들 수 있을 것이다.

◇ 복수 기관 환경 조성

DOE, 미국국립과학재단, 미국표준기술연구소, 미국국방부, 미국국가안전보장국, NASA가 주요 업체로 중요하다는 점을 강조한다. 이러한 제휴를 추구하면서도 양자 통신 스타트 업 및 대형 광 통신 회사들과의 강력한 협력을 해야한다. 그리고 이를통해 새로운 방향과 파생 애플리케이션을 위한 중요한 기회를 창출해야 한다. 

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