과학자들이 최초로 도시 전역 양자 통신 네트워크를 시연했다.

인터넷은 세계 경제의 엄청난 확장을 가능하게했지만 공격에 매우 취약하다. 양자 커뮤니케이션은 해커 침해에서 완전한 보안이 가능하다. 양자 시스템의 특이한 특성 즉, 관측 상태로 인한 불가피한 변화 때문이다. 즉, 누군가에게 입자의 양자 상태로 인코딩한 정보를 보낼때 도중에 다른 사람이 이를 가로 채서 읽으려고 하면 양자 얽힘 상태가 깨져서 수신자가 위반 사실을 알 수 있다.

진정으로 해킹할 수 없는 양자 커뮤니케이션 기술은 현재 중국이 확고한 선두로 양자 인터넷 구축을 서두르고 있다. 또한 현재 대부분의 암호화 수단을 쉽게 해독할 수 있을 것으로 예상되는 양자 컴퓨터 개발의 급속한 진전으로 인해 추가적인 자극을 받고 있다.

그러나 지금까지 대부분의 양자 통신 접근 방식은 한 번에 두 명의 사용자만 연결할 수 있었으며 모든 사용자가 값비싼 발신자 및 수신자 하드웨어를 보유해야하고 보안 위반 가능성을 높이는 이른바 ‘신뢰할 수 있는 노드(trusted nodes)’에 의존하는 경우가 많았다.

하지만 이제 영국 브리스톨 대학(University of Bristol)의 연구팀은 17km 거리에서 최소 8명의 사용자를 동시에 연결할 수 있는 양자 통신 네트워크를 개발했다.

사이언스 어드벤시스(Science Advances) 논문에서 연구팀은 도시의 기존 광섬유 네트워크를 통해 8명의 사용자로 구성된 28개의 가능한 페어링을 동시에 안전하게 연결할 수 있음을 보였다.

수석 저자 시다르드 조시(Siddarth Joshi)는“이것은 엄청난 돌파구를 나타내며 양자 인터넷을 훨씬 더 현실적인 제안으로 만든다”라며 “지금까지 양자 네트워크를 구축하려면 막대한 비용, 시간 및 리소스가 필요하며 전체 목적을 무너뜨리는 보안을 손상시키는 경우가 많았다. 우리의 솔루션은 확장 가능하고 상대적으로 저렴하며 무엇보다도 침해 불가능하다”고 말했다.

연구진의 네트워크는 암호화 키가 광자의 양자 상태로 인코딩된 다음 다른 사용자에게 안전하게 전송되는 양자 키 분배(QDK)라는 널리 사용되는 접근 방식을 사용한다. 그런 다음 암호화된 메시지가 기존 통신 채널을 통해 공유되고 양자키가 이를 해독하는 데 사용된다. 일반적으로 이러한 시스템의 각 사용자는 다른 사용자에게 직접 연결되거나 신뢰할 수 있는 노드를 통해 연결돼야 하므로 대규모 네트워크는 비용이 많이 들고 해커가 악용할 수 있는 기회가 늘어날 수 있다.

하지만 연구원들은 멀티플렉싱이라고 하는 1세기 이상 전화 통신에 사용된 접근 방식 덕분에 이러한 한계를 극복할 수 있었다. 여기에는 여러 데이터 스트림을 하나의 신호로 결합해 공유 링크를 통해 전송할 수 있으며 목적지에 도달하면 다시 분리된다.

연구원들은 얽힌 광자 쌍의 단일 소스를 사용했는데, 이는 양자 상태가 본질적으로 연결돼 있고 하나의 변경 또는 측정이 다른 하나에 반영된다는 것을 의미한다. 그런 다음 연구원들은 이러한 얽힌 광자 쌍을 파장에 따라 여러 채널로 분할한 후 결합하거나 다중화하고 단일 광섬유 케이블을 통해 전송한다.

각 사용자는 고유한 채널 조합에서 신호를 수신해 모든 사용자가 적어도 하나의 채널을 다른 사용자와 공유하도록 한다. 공유 채널의 측정값을 보면 두 사용자가 서로 간에 양자키를 설정해 안전하게 통신할 수 있다. 이 접근 방식을 사용하면 네트워크의 다른 모든 사용자에 대해 단지 단일 수신기만 설정하면 되기 때문에 사용자를 추가하는 것이 훨씬 간단해진다. 이는 상당한 비용 절감을 가져올 수 있다.

조시는 이전 접근 방식을 사용하는 100명의 사용자 네트워크가 66억 달러의 비용이 들 수 있지만 그들의 비용은 약 582만 달러에 불과할 것이라고 예측한다. 이 시스템은 여전히 개념 증명(PoC) 단계로 상당한 추가 개발이 필요하다.

그러나 이 접근법은 깨지지 않는 양자 인터넷을 현실로 만들 수있는 접근법이다. 조시는 “우리는 멀지않은 미래에 잠재적으로 수백만 명의 사용자에게 서비스를 제공할 수 있다”고 말했다.