아직 초기 단계인 양자통신은 궁극적 보안 통신 수단이 될 가능성이 있다. 양자 통신을 도청하는 것은 거의 불가능할 뿐만 아니라 시도만으로도 증거를 남긴다.

광섬유 등 기존 채널을 통해 양자 정보를 전송하는 것은 어렵다. 일반적으로 정보를 운반하는 얽힌 광자(entangled photons) 종종 손상되거나 손실돼 신호가 약하거나 일관성이 없다. 종종 메시지가 제대로 전달되도록 여러 번 메시지를 보내야 한다.

시카고대학(University of Chicago) 프리츠커 분자공학부(Pritzker School of Molecular Engineering,PME)의 과학자들은 새 논문에서 새로운 양자통신 기술을 시연했다. 두 개의 통신 노드를 채널과 연결해 연결 채널을 통하지 않고 노드 간에 양자 역학적으로 정보를 전송할 수 있음을 보여준다.

시카고대 앤드류 클러랜드(Andrew Cleland) 교수가 이끈 이 연구는 6월 17일(현지시각) 피지컬 리뷰 레터즈(Physical Review Letters) 저널에 발표됐다.

이 연구는 두 노드 사이의 얽힘(entanglement) 현상을 활용했다. 최근에 발표된 또 다른 논문에서 클러랜드 연구팀은 소리의 양자 입자인 두 개의 얽힌 포논(phonons)을 통해 잠재적인 새로운 기술 과학적 혁신을 제시했다.

PME의 분자공학과 교수 겸 ANL(Argonne National Laboratory) 선임 과학자 클러랜드는 “두 논문은 양자 기술에 접근하는 새로운 방법을 제시한다. 이 결과가 양자통신 및 고체 양자 시스템의 미래에 어떤 의미가 있을지 기대된다”고 말했다.

양자통신

얽힌 광자(photons)와 포논(phonons)은 직관에 배치된다. 이들 입자가 양자 역학적으로 얽히게 되면, 입자들이 서로 먼 거리에 분리돼도 얽힘은 유지할 수있다. 즉, 한 입자의 변화는 다른 입자의 변화를 유발한다. 양자통신은 입자의 정보를 인코딩해 이 현상을 이용한다.

클러랜드는 전송에서 손실없이 양자 정보를 전송하는 방법을 찾고자했다. PME 대학원생 장흥선을 포함한 그와 그의 팀은 휴대전화에 사용되는 것과 동일한 광자인 마이크로파 광자를 사용해 두 개의 통신 노드를 얽힘 시스템을 개발했다.

이 실험을 위해 그들은 길이가 약 1미터인 마이크로웨이브 케이블을 사용해 큐비트 사이의 연결을 설정했다. 제어된 방식으로 시스템을 켜고 끄면 케이블을 통해 광자를 보내지 않고도 두 노드 사이 양자얽힘을 통해 정보를 보낼 수 있었다.

클러랜드는 “광자를 보내지 않고 1미터 케이블을 통해 정보를 전송했다. 원칙적으로 이것은 훨씬 더 먼 거리에서도 작동합니다. 광섬유 채널을 통해 광자를 보내는 시스템보다 훨씬 빠르고 효율적”이라고 설명했다.

이 시스템에는 한계가 있지만 (절대 0보다 몇도 높은 온도에서 매우 차갑게 유지해야 함) 잠재적으로 광자 대신 원자로 실온에서 작동할 수 있다. 그러나 현재 극저온 버전은 더 많은 제어 기능을 제공하며, 그와 그의 팀은 여러 광자를 더 복잡한 상태로 묶는 실험을 수행하고 있다.

연구팀은 6월 12일 ‘Physical Review X’ 저널에 발표한 논문에서 처음으로 두 개의 포논 얽힘을 구현했다. 이 팀은 포논 의사소통하기 위해 구축한 유사한 시스템을 사용해 두 개의 마이크로폰 포논(인간 귀로들을 수있는 것보다 약 백만 배 높은 음높이)을 얽힘을 구현했다. 포논이 얽히면 팀은 소위 ‘양자 지우개(quantum eraser)’실험을 성공적으로 수행, 측정이 완료된 후에도 정보를 지웠다.

포논은 광자에 비해 단점이 있다. 예를 들어, 수명이 짧습니다. 그러나 이들은 광자와 강하게 상호 작용하지 않을 수 있는 많은 고체 양자 시스템과 강하게 상호 작용한다.

클러랜드는 “이것은 중력파 검출기가 우주에서 새로운 망원경을 만든 방식과 유사하게 양자 시스템으로 할 수 있는 새 기회를 제시한다”고 말했다.

*Remote Entanglement via Adiabatic Passage Using a Tunably Dissipative Quantum Communication System

*Funding: Air Force Office of Scientific Research, Army Research Laboratory, National Science Foundation, Department of Energy.