양자 인터넷 잠금 해제: 독일의 최신 실험이 글로벌 벤치마크를 설정하다.
기존의 암호화 방법은 복잡한 수학적 알고리즘과 현재 컴퓨팅 성능의 한계에 의존한다. 그러나 양자 컴퓨터의 등장으로 이러한 방법은 점점 더 취약해지고 있으며, 양자 키 분배(QKD)가 필요하다.
QKD는 양자 물리학의 고유한 특성을 활용하여 데이터 전송을 보호하는 기술이다. 이 방법은 수년에 걸쳐 지속적으로 최적화되었지만 기존 양자 광원의 한계로 인해 대규모 네트워크를 구축하는 것이 어려웠다.
Light에 게재된 새로운 저널 표지 기사에서: 과학 및 응용은 라이프니츠 하노버 대학교(LUH)의 페이 딩 교수, 독일 브라운슈바이크의 연구소(PTB)의 스테판 퀴크 교수, 슈투트가르트 대학교의 피터 미클러 교수 및 기타 동료 연구원이 이끄는 독일 과학자 팀이 결정론적 단일 광자 소스를 사용하여 최초의 도시간 QKD 실험을 달성하여 사이버 위협으로부터 기밀 정보를 보호하는 방법에 혁명을 일으켰다.
양자 세계의 인공 원자라고 하는 반도체 양자점(QD)은 양자 정보 기술에 사용되는 양자 빛을 비추는 데 큰 잠재력을 보여준다. 이 획기적인 발견은 실제 생활에서 안전한 장거리 양자 인터넷을 위한 반도체 단일 광자 소스의 실현 가능성을 보여준다.
니더작센(Niedersachsen) 양자 링크
페이 딩 교수는 "우리는 원자와 비슷하지만 우리의 필요에 맞게 맞춤화된 작은 구조인 양자점을 사용한다. 처음으로, 우리는 두 개의 다른 도시 간의 양자 통신 실험에서 이러한 '인공 원자'를 사용했다. '니더작센 양자 링크'로 알려진 이 설정은 광섬유를 통해 하노버와 브라운슈바이크를 연결한다."
하노버 라이프니츠 대학교(앨리스)와 브라운슈바이크 PTB(Bob) 간의 양자 비트 분포, 총 손실 25.49dB, 79km의 배치된 파이버. 구글에서 가져온 지도 데이터(©2023 구글). 출처: Light: Science & Applications(2024). DOI: 10.1038/s41377-024-01488-0
도시간 실험은 독일 연방주 니더작센에서 수행되었으며, 약 79km 길이의 배치된 광섬유가 라이프니츠 하노버 대학교(LUH)와 독일 브라운슈바이크의 연구소(PTB) 브라운슈바이크를 연결한다. LUH에 위치한 앨리스는 편광으로 암호화된 단일 광자를 정적으로 준비한다. PTB에 위치한 Bob은 광섬유 기반 양자 채널을 통해 수신된 단일 광자의 편광 상태를 해독하는 수동 편광 디코더를 포함한다. 이는 또한 독일 니더작센에서 최초의 양자 통신 링크이다.
안정적이고 안전한 전송 달성
결과적으로 연구원들은 비밀 키의 안정적이고 빠른 전송을 달성했다.
그들은 먼저 실험실에서 28.11dB 손실에 해당하는 최대 144km 거리에서 긍정적인 비밀 키 속도(SKR)가 달성 가능하다는 것을 확인했다. 이 배치된 파이버 링크를 기반으로 35시간 동안 낮은 양자 비트 오류율(QBER)을 가진 고속 비밀 키 전송이 보장되었다.
"SPS를 포함하는 기존 QKD 시스템과의 비교 분석 결과 이 작업에서 달성한 SKR은 모든 현재 SPS 기반 구현을 넘어선다는 것을 보여준다. 소스 및 설정 성능을 추가로 최적화하지 않아도 약한 코히어런트 펄스를 기반으로 하는 기존 미끼 상태 QKD 프로토콜이 달성한 수준에 근접한다."고 이 작업의 첫 번째 저자인 징종 양(Jingzhong Yang) 박사는 말했다.
연구자들은 QD가 양자 반복기 및 분산 양자 감지와 같은 다른 양자 인터넷 응용 프로그램을 실현하는 데도 큰 가능성을 제공한다고 추측한다. 양자 정보의 내재적 저장을 허용하고 광자 클러스터 상태를 방출할 수 있기 때문이다. 이 연구의 결과는 반도체 단일 광자 소스를 현실적이고 대규모이며 대용량의 양자 통신 네트워크에 원활하게 통합하는 것이 가능하다는 것을 강조한다.
안전한 통신에 대한 필요성은 인류 자체만큼 오래되었다. 양자 통신은 빛의 양자 특성을 사용하여 메시지를 가로채지 못하도록 한다. "양자점 장치는 단일 광자를 방출하고, 우리는 이를 제어하여 브라운슈바이크로 보내 측정한다. 이 프로세스는 양자 키 분배에 기본이 된다."라고 딩은 말했다. 그는 이 협력적 노력의 결과에 대한 흥분을 표현했다. "몇 년 전만 해도 우리는 실제 양자 통신 시나리오에서 양자점을 사용하는 것을 꿈꿨을 뿐이다. 오늘날 우리는 미래에 훨씬 더 흥미로운 실험과 응용 프로그램에 대한 잠재력을 보여주고 '양자 인터넷'으로 나아가게 되어 기쁘다."
