암호화 양자컴퓨팅 새 접근 기대

과학자들이 세계 최초로 광학 프레임 매듭에 성공했다. 데이터 암호화 및 해독, 보안 및 개인 정보 보호 등 암호키 분배와 위상 양자컴퓨팅 등에 새로운 접근이 기대된다.

이스라엘 과학자들과 캐나다 오타와 대학(University of Ottawa) 연구자 그룹은 최근 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 성과를 발표했다.

선임 저자 에브라힘 카리미(Ebrahim Karimi) 오타와대 교수는 “이는 특히 토폴로지 중심의 관점에서 볼 때 기본적으로 중요하다. 프레임 된 매듭은 토폴로지 양자 계산(topological quantum computations)을 위한 플랫폼을 제공하기 때문”이라며 “또한, 우리는 이러한 사소하지 않은 광학 구조를 정보 매체로 사용하고 정보가 이러한 프레임 매듭 내에서 인코딩되는 고전적인 통신을위한 보안 프로토콜을 개발했다”고 설명했다.

카리미 교수에 따르면 연구는 보안 암호키를 배포하기 위해 레이저 빔의 전파에 숨겨진 더 복잡한 토폴로지 구조를 사용하는 길을 열어준다. 연구팀이 개발한 실험적 및 이론적 기술은 위상 양자 계산에 대한 새로운 실험적 접근 방식을 찾는 데 도움이 될 수 있다. 이는 현재 양자 컴퓨팅 기술에서 잡음 관련 문제를 해소할 것으로 기대된다.

개념

연구자들은 2차원으로 묘사될 수 있는 3차원 물체 인 액자 매듭을 더 잘 이해할 수 있도록 간단한 DIY 수업을 제안한다. 제 1저자 휴고 라로커(Hugo Larocque, 오타와대 졸업 후 MIT 박사과정)은 “종이의 좁은 띠를 잡고 매듭을 짓도록 해보라. 결과물은 액자 매듭이라고하며 매우 흥미롭고 중요한 수학적 특징을 가지고 있다”고 말했다.

연구팀은 더 높은 수준의 난이도로 광학 빔을 통해 프레임 매듭 리본 구조를 찾아 냈다.

휴고는 “이 리본을 추가하기 위해 우리 그룹은 빛의 벡터 특성을 조작하는 빔 형성 기술에 의존했다”라며 “프레임이 없는 광학 매듭을 따라 라이트 필드의 진동 방향을 수정함으로써 우리는 이러한 진동 필드에 의해 추적 된 선을 함께 접착해 프레임을 후자에 할당할 수 있었다”고 설명했다.

연구원들에 따르면 구조화 된 광선은 정보를 인코딩하고 배포하는 데 널리 이용되고 있다. 금까지 이러한 응용 프로그램은 주어진 위치에서 빔을 관찰해 인식할 수있는 물리량으로 제한됐다.

오타와대 박사후 연구원이자 이 연구의 공동 저자 알레시오 데리코(Dr. Alessio D’ Errico)는 “우리의 연구는 소수 분해와 함께 리본 방향의 비틀림 수를 사용하여 매듭의 소위 “브레이드 표현(braid representation)”을 추출할 수 있음을 보여준다”고 말했다.

휴고는 “이러한 객체의 구조적 특징은 양자 정보 처리 프로그램을 지정하는 데 사용할 수 있다”라며 “이 프로그램이 여러 당사자 사이에 전파하면서 비밀로 유지되기를 원하는 상황에서는 이”브레이드(braid) “를 암호화하고 나중에 해독하는 수단이 필요하다. 우리의 작업은 광학 프레임 매듭을 다음과 같이 사용하도록 제안해 이 문제를 해결한다. 나중에 소개 한 브레이드 추출 방법으로 복구할 수 있는 이러한 프로그램의 암호화 개체”라고 설명했다.

기원

이 프로젝트에 대한 아이디어는 2018 년 그리스 크레타에서 열린 과학 회의에서 이스라엘 연구자들과 논의하면서 나타났다. 이스라엘 과학자들은 소수 인코딩 프로토콜을 개발했다. 그 후 이 프로젝트는 지중해와 대서양을 건너 오타와 대학의 첨단 연구 단지에 위치한 카리미 박사의 실험실에서 실험 절차가 개발되고 수행됐다. 그런 다음 결과 데이터를 분석하고 특별히 고안된 프로그램을 통해 브레이드 구조를 추출했다.

생성 된 프레임 매듭의 평면도.

응용 프로그램

휴고는 “현재 기술은 우리에게 강도, 위상, 파장 및 편광과 같은 광선을 특성화하는 다양한 기능을 높은 정확도로 조작할 수 있는 가능성을 제공한다”라며 “이는 모든 광학적 방법으로 정보를 인코딩하고 디코딩할 수 있게한다. 이러한 다양한 자유도를 활용해 양자 및 고전적 암호화 프로토콜이 고안됐다”고 말했다.

*Hugo Larocque et al, Optical framed knots as information carriers, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-18792-z