지상에서 우주로 쏘는 양자 얽힘 신호, ‘업링크’ 실현되다

UTS 연구팀, 양자위성 통신 새로운 장 열어…글로벌 양자 인터넷 가능성 제시

지금까지 양자위성은 우주에서 지상으로 얽힌 광자(빛 입자)를 전송해 초보안 통신을 실현해왔다. 그러나 최근 새로운 연구가 지상에서 우주로 양자 얽힘 신호를 전송하는 ‘업링크(uplink)’ 방식이 가능함을 입증하면서, 양자통신의 방향이 바뀌고 있다.

호주 시드니공과대학교(University of Technology Sydney, 이하 UTS)의 사이먼 데빗(Simon Devitt) 교수와 알렉산더 솔른체프(Alexander Solntsev) 교수 연구팀은 최근 학술지 Physical Review Research에 게재한 논문을 통해 이 같은 결과를 발표했다.

불가능하다고 여겨졌던 업링크, 현실로

지금까지 양자위성 통신(Quantum Satellite Communication)은 대부분 ‘다운링크(downlink)’ 방식이었다. 우주 궤도상의 위성이 얽힌 광자쌍을 생성한 뒤, 각각의 광자를 지상의 두 기지국으로 전송하는 구조다.

이 방식은 양자암호(Quantum Cryptography)에 활용돼 왔지만, 전송할 수 있는 광자 수가 제한적이라는 단점이 있었다.

이에 반해 ‘업링크’ 방식은 지상에서 얽힌 광자쌍을 만든 뒤 각각을 위성으로 쏘아 올리는 방법이다. 하지만 그동안 이 방식은 대기 산란, 광손실, 간섭 등으로 인해 실현 불가능하다고 여겨져 왔다.

UTS 연구팀은 이러한 통념을 깨뜨렸다. 두 개의 지상국이 각각의 얽힌 광자를 500km 상공을 시속 2만km로 도는 위성으로 쏘아, 위성에서 두 광자가 완벽히 만나 양자 간섭을 일으키는 시뮬레이션을 수행했다.

그 결과, 현실적인 대기 조건·지구 반사광·달빛 반사 등 실제 환경 변수까지 고려하더라도 업링크 통신이 물리적으로 가능함을 확인했다.

드론과 기구 실험 검증 후, 저궤도 위성 적용 가능

연구팀은 향후 이 기술을 드론이나 고고도 기구(풍선)를 이용해 검증 실험을 진행할 계획이다. 이후 소형 저궤도 위성(Low Earth Orbit, LEO)에 기술을 적용하면, 국가 간·대륙 간 양자 네트워크 구축도 가능할 것으로 보고 있다.

사이먼 데빗 교수는 “진정한 양자 인터넷(Quantum Internet)은 현재의 양자 암호 수준을 훨씬 넘어서는 대역폭과 광자 수를 필요로 한다”며 “업링크 방식은 위성에 복잡한 양자 하드웨어를 탑재하지 않아도 되므로, 비용을 줄이면서 고대역폭 양자 통신을 실현할 수 있다”고 설명했다.

미래에는 양자 얽힘이 전기처럼 보편화될 것

데빗 교수는 양자 얽힘을 “미래의 전기”에 비유했다.

“전기가 눈에 보이지 않지만 우리의 모든 기기를 구동하듯, 앞으로는 양자 얽힘도 보이지 않는 인프라가 될 것입니다. 사람들은 단지 장비를 연결하기만 하면 양자 얽힘을 이용해 연산하거나 통신하게 될 겁니다.”

이번 연구는 UTS공학·정보기술학부(Engineering and IT)와 과학대학(Science Faculty) 소속 연구진이 협력한 결과물로, 양자 네트워킹·시스템 모델링·포토닉스(광학) 분야의 전문성이 결합된 사례다.

이들은 이번 업링크 기술이 향후 양자 컴퓨터 간 연결, 양자 인터넷 인프라, 보안 통신망 구축 등에서 핵심 역할을 할 것으로 전망하고 있다.