과학자들, 3,000km궤도에 최소 400개 양자 위성 네트워크 제안

양자 인터넷은 완벽한 보안 메시지를 위해 광자와 전자의 양자 특성을 활용한다. 양자 컴퓨터가 현실화하면서 국가 안보, 군사 뿐만 아니라 계약, 금융 거래 등 기존 암호화를 침해할 수 있다.

문제는 어떻게 전 세계에 양자 인터넷을 구축할 것인가 이다. 과학자들은 지구 궤도 양자 위성망 기반 양자 인터넷을 제한한다.

미국 루이지애나주립대(Louisiana State University in Baton Rouge) 서밋 카트리(Sumeet Khatri) 연구팀은 양자 인터넷을 구축할 수 있는 다양한 방법을 연구해왔다. 연구팀은 가장 비용 효율적인 방법은 얽힌 광자를 지상 기지국과 주고받는 양자 위성 무리(constellation)라고 주장한다.

양자 네트워크의 중심에는 얽힘(entanglement)의 이상한 특성이 있다. 이것은 두 개의 양자 입자가 넓은 거리로 분리 되더라도 동일한 존재를 공유하는 현상이다. 그것은 이 입자들 중 하나에 대한 측정이 다른 입자에 즉각적으로 영향을 미치도록 한다. 아인슈타인이 “먼 거리에서 괴이한 행동(spooky action at a distance)”이라고했던 결과다.

물리학자들은 보통 같은 지점과 시점에서 만들어진 광자(photons) 쌍을 사용해 얽힘을 분산시킨다. 광자가 다른 위치로 보내질 때, 그것들을 연결하는 엉킴은 안전한 메시지를 보내기 위해 이용될 수 있다. 문제는 얽힘이 깨지기 쉽고 보존하기 어렵다는 것이다. 광자 중 하나와 그 환경 사이의 작은 상호 작용은 연결을 끊는다. 실제로 이것은 얽힌 광자를 대기나 광섬유를 통해 직접 전송할 때 발생한다.

이 방법으로 얽힘을 공유할 수 있는 최대 거리는 불과 수백 킬로미터다.그렇다면 어떻게 전 세계에 얽혀있는 양자 인터넷을 구축 할 수 있을까. 한 가지 옵션은 광자 도착시 광자의 양자 속성을 측정한 다음 이러한 속성을 도중에 전송되는 새로운 광자에 전송하는 장치 ‘양자 리피터(quantum repeaters)’를 사용하는 것이다. 이렇게 하면 얽힘을 유지하면서 한 리피터에서 다음 리피터로 건너뛸 수 있다. 그러나 이 기술은 매우 실험적이며 상업적 개발에 몇 년이 걸린다.

다른 옵션은 우주에서 얽힌 광자 쌍을 만들어 지상에 있는 두 개의 다른 기지국으로 브로드캐스트하는 것이다. 그런 다음 이 기지국 네트워크에서 보안 메시지를 교환하는 방법이다. 2017년 ‘미시우스(Micius)’ 중국 위성이 처음으로 얽힘이 실제로 이런 식으로 공유 될 수 있음을 제시했다.

카트리와 공동 연구원은 유사한 위성 별자리가 전 세계 양자 인터넷을 만드는 훨씬 더 좋은 방법이라고 주장한다. 핵심은 안전하게 통신하려면 두 개의 지상국이 동시에 동일한 위성을 포착해 둘 사이 얽힌 광자를 수신 할 수 있어야 한다는 것이다.

양자 인터넷 위성은 가능한 한 넓은 범위를 커버하는 것이 중요하다.

카트리는 “현재 위성은 고가의 자원이기 때문에 네트워크에 가능한 한 적은 수의 위성을 유지하면서도 완벽하고 지속적인 범위를 유지하려 한다”고 말했다.

이를 위해 팀은 위성 별자리를 모델링했다. 위성이 더 높은 궤도를 돌 때 전 세계에 필요한 위성 수는 더 적다. 그러나 고도가 높을수록 광자 손실이 커진다. 더 낮은 고도의 위성은 기지국 사이 거리가 더 짧을 수 있다. 두 위성 모두 동시에 한 기지국을 포착 할 수 있어야 하기 때문이다. 이러한 한계를 감안해 연구팀은 고도 약 3,000km궤도상 최소 400개의 위성 네트워크를 제안했다. GPS의 경우 24개의 위성에서 작동한다.

기지국들 사이의 최대 거리는 약 7,500 킬로미터로 제한된다. 즉, 7,200km 떨어진 런던과 뭄바이 사이의 보안 메시징을 지원할 수 있지만 7,800km 떨어진 런던과 휴스턴 사이, 또는 더 멀리 떨어진 도시 간에는 보안 메시징을 지원할 수 없다.

*출판 전 아르시브(arXiv) 논문(MIT테크놀로지리뷰 소개): Spooky Action at a Global Distance – Resource-Rate Analysis of a Space-Based Entanglement-Distribution Network for the Quantum Internet