美 최장 70km 단방향 양자 네트워크 구축

전 세계의 여러 프로젝트가 양자 컴퓨터가 정보를 공유하고 교환할 수 있는 네트워크 ‘양자 인터넷’을 만들기 위해 노력하고 있다.

과학자들은 멀리 떨어진 두 양자 컴퓨터의 양자 비트 또는 큐비트가 세 번째 위치에 얽힐 수 있음을 보였다. 양자 인터넷을 만드는 데 중요한 단계로 표준 인터넷 케이블을 통해 이를 수행했다.

새로운 종류의 컴퓨팅에는 새로운 종류의 인터넷이 필요하다. 양자 컴퓨터는 고전 컴퓨터와 완전히 새로운 방식으로 컴퓨팅에 접근한다. 이론적으로 중첩 및 얽힘과 같은 양자 역학 개념을 활용하여 특정 유형의 문제(데이터 암호화, 화학 반응 시뮬레이션 등)를 기존 접근 방식보다 훨씬 빠르게 해결할 수 있다.

양자 컴퓨팅 기술은 아직 개발 초기 단계에 있으며 가장 유망한 많은 애플리케이션은 아직 실현되지 않고 있다. 양자 인터넷도 오늘날 인터넷의 초고속 보안 버전이 아니다. 대신 컴퓨터간에 양자 정보를 전송하는 특정 애플리케이션이 있을 수 있다. 이를 위해 컴퓨터의 큐비트가 얽혀 있다. 즉, 각각의 가능한 양자 상태가 서로 종속되고 큐비트가 단일 양자 시스템이 되는 중첩에 놓인다. 이러한 큐비트 중 하나의 상태를 측정하면 중첩이 깨져 즉시 다른 큐비트의 상태에 영향을 준다. 이 측정 / 얽힘 프로세스는 양자 정보를 전송하는 방법이다.

두 개의 양자 컴퓨터 사이의 얽힘은 수년 동안 실험적으로 가능했지만 미국 브룩헤이븐 국립연구소(Brookhaven National Lab)와 뉴욕의 스토니브룩 대학(Stony Brook University) 연구팀은 한 걸음 더 나아갔다. 그들은 두 대의 양자 컴퓨터가 세 번째 컴퓨터를 사용해 얽힐 수 있음을 보여줌으로써 미국에서 가장 긴 양자 네트워크를 만들었다. 많은 컴퓨터가 중앙 노드를 통해 서로 “대화”할 수있는 네트워크 구축의 첫 번째 단계다.

실험을 수행하기 위해 연구원들은 양자 시스템 고유의 문제에 직면했다. 큐비트를 구성하는 양자 입자를 얽히려면 입자가 서로 다른 경로를 택했음에도 불구하고 서로 완전히 구별할 수 없는 노드에 도달해야 한다. 경로가 다를수록 더 어렵다. 브룩헤이븐과 스토니브룩 사이의 네트워크는 롱아일렌드(Long Island)의 이웃과 고속도로를 통과하는 수 마일 길이의 기존 광섬유 케이블을 통해 실행된다.

전송된 양자 입자 중 하나와 그 환경 사이의 예기치 않은 상호 작용으로 인해 다른 입자와 구별될 수 있다. 그러나 모든 잠재적 간섭원에도 불구하고이 실험은 입자가 기존 인프라를 통해 70km 이상을 이동할 수 있음을 증명할 수 있었다.

스토니브룩대 양자 물리학자이자 이 프로젝트의 수석 과학자 에덴 피게로아(Eden Figueroa)는 “우리의 결과는 이러한 광자가 얽힐 수 있고 측정이 작동한다는 것을 보여준다. 최근 실험은 단방향이었다. 양자 컴퓨터는 큐비트를 노드로 보냈지만 노드는 단순히 얽힐 수 있는 지 여부를 결정하고 아무것도 다시 보내지 않았다. 다음 단계는 두 대의 기존 컴퓨터 하드 드라이브를 연결하는 것과 유사한 컴퓨터의 양자 메모리를 얽히는 것”이라고 말했다.

그는 “우리는 단순히 기억이 아니라 컴퓨터를 얽히게 되기를 희망한다. 하드 드라이브 뿐만 아니라 처리 장치도 연결한다”고 덧붙였다.

양자 인터넷

양자 컴퓨터는 인터넷을 통해 양자 정보를 직접 교환할 수 없지만 통신을 위해 인터넷을 사용하는 기존 컴퓨터가 여전히 필요하다. 양자 네트워크의 양 말단 사이에서 정보를 실제로 전송하려면 기존 네트워크에서 양자 장치를 제어, 관리 및 동기화해야한다. 전통적인 인터넷에 대한 이러한 의존은 양자 인터넷을 구축하려는 노력이 매우 학제적이라는 것을 의미한다. 기본 양자 컴퓨팅 연구 및 통신 인프라 엔지니어링에 대한 전문 지식이 필요하다.

양자 인터넷의 핵심 장애물은 피게로아가 “양자 통신의 성배”라고 부르는 양자 중계기다. 양자 중계기는 양자 정보의 신호를 수신하고 이를 전달, 컴퓨터 간의 얽힘이 더 먼 거리에서 발생할 수 있다는 점에서 증폭기처럼 작동한다. 하지만 한 가지 문제가 있다. 큐비트와의 모든 상호 작용은 중첩을 깨고 정보가 전송되기 위해서는 큐비트가 목적지에 도달할 때까지 발생할 수 없다. 진정한 양자 중계기는 큐비트와 상호 작용하지 않고 증폭할 수 있을 것이다. 이는 일면 역설적인 작업이다.

피게로아는 가까운 장래에 완성된 양자 중계기를 보게 될 것이라고 말한다.

그는 “몇 년 안에 실제로 리피터와 함께 작동하는 시스템을 갖게되기를 바란다. 양자 중계기 연결을 시연할 수 있는 순간, 동일한 아키텍처를 반복해서 재현하여 서로 멀리 있는 장소를 연결하기 만하면 된다. 10 ~ 15년 만에 뉴욕 주 전역의 양자 네트워크를 보게 될 것”이라고 주장했다.

마지막 장애물은 훨씬 더 먼 미래에 뉴욕 양자 네트워크가 아르곤 국립 연구소와 시카고 대학, 네트워크 또는 유럽에서 구축 중인 네트워크에 연결되는 미래다. 이러한 네트워크는 근본적으로 다른 양자 컴퓨터를 사용하여 구축된다. 뉴욕 네트워크는 큐비트가 단일 갇힌 원자에 내장된 컴퓨터를 사용하는 반면, 다른 네트워크는 고체 상태 시스템을 사용하여 큐비트를 만들고 조작한다. 두 종류의 양자 컴퓨터는 완전히 다른 아키텍처로 계산을 수행한다.

피게로아는 “실제 양자 인터넷이 시카고에 있는 것과 같은 고체 기반 양자 컴퓨터와 여기에 있는 것과 같은 원자 기반 양자 컴퓨터의 집합이 될 것이라고 상상할 수 있다. 그리고 연결 방법을 찾아야 한다. 그들 모두는 양자 인터넷의 첫 번째 프로토타입을 정말로 내놓았다”고 말했다.

앞서 2020년 7월 미국 에너지부(DoD)는 국가 양자 인터넷을 만들기 위한 전략의 “청사진”을 발표했다.

이러한 노력에는 Brookhaven-Stony Brook 프로젝트와 Argonne-University of Chicago 프로젝트가 포함되며, 이 프로젝트는 Fermi National Accelerator Laboratory와 Lawrence Berkeley, Oak Ridge 및 Los Alamos National Laboratories와 같은 다른 국립 연구소의 연구로 지원된다.