일본 정보시스템 연구기구, 국립정보학연구소의 연구그룹은 영국 휴렛팩커드 연구소와 공동으로 실용적인 장거리 양자통신 레이트를 가능하게 할 양자중계 시스템 개발에 성공하였다. 양자 중계기술은 장래의 양자 네트워크에 필수적인 기술이며, 이 시스템은 양자 네트워크 실현을 앞당길 중요한 기술로 평가된다. 그 중에서도 중요한 성과로서 통신거리에 의존하지 않는 높은 통신 레이트를 달성하는 시스템 구축에 성공했다는 점과 양자 메모리의 시간을 1/1000로 단축했다는 점을 들 수 있으며, 이를 통해 양자통신 실용화를 위한 대폭적인 개선을 실시할 수 있을 전망이다. 이 연구성과는 8월 29일자 [Nature Photonics]에 게재될 예정이다.

양자통신은 전례가 없는 높은 안정성을 제공하는 통신기술로서 많은 주목을 모아왔다. 특히 광의 양자적인 성질을 이용한 양자암호 배송기술은 해킹이 불가능한 안전한 통신을 실현하는 기술로서 연구가 진행되고 있으며 실용화를 위한 본격적인 연구가 이루어지고 있는 단계이다. 그러나 현재의 양자암호 기술에는 통신거리의 한계가 있다는 것이 알려져 있으며, 100km를 넘는 통신의 경우, 광 파이버 중의 광손실 때문에 충분한 안전성과 통신속도를 확보할 수 없다는 점이 큰 문제점으로 지적되고 있다. 양자중계기술은 현재의 양자암호 배송기술과는 달리, 장거리 양자암호 배송기술을 비롯한 다양한 양자통신을 가능하게 할 필수적이고 핵심적인 기술이다.

양자통신의 기반은 양자얽힘(entanglement)이라고 불리는 양자적인 상관을 가진 양자비트를 이용하여 양자 텔레포테이션에 의해 통신을 수행하는 것이다 이 양자얽힘 구조를 거리가 떨어진 양자비트 사이에서 전송하는 기술이 양자중계기술이다. 양자중계는 중계점 사이의 양자얽힘 배송과 이것을 연결하여 거리를 늘리는 스와핑의 두 단계로 구성되며 지금까지의 양자중계 시스템에서는 통신속도가 늦다는 점, 통신 레이트가 통신거리에 의존하고 장거리통신이 어렵다는 점 등 통신 시스템 상의 문제와 실용화에서의 많은 문제를 안고 있었다.

이번에 연구팀이 개발한 양자중계 시스템은 중계점 사이를 광 파이버로 연결하고 단위시간 당 고정밀 양자얽힘 구조를 정확하게 배송함으로써 통신거리에 의존하지 않고 통신 레이트를 달성하는 양자통신 시스템을 구축하는 데 성공하였다. 이 새로운 양자중계 시스템은 양자 메모리 시간을 지금까지의 1초에서 수밀리초로 단축하는 기술로, 대폭적인 개선이 이루어졌다. 또한 통신 시스템 상에도 중계점에서의 동기를 필요로 하지 않는 획기적인 효율을 실현하는 통신 시스템을 개발함으로써 1MHz의 실용적인 고레이트 통신을 달성할 수 있게 되었다.

양자 메모리 시간이 1초에서 수밀리초까지 대폭적으로 단축된 것은 매우 의미가 큰 것으로, 수밀리초 정도라면 이미 실용화가 가능한 범위라는 점에서 앞으로 개발이 기대되는 양자소자와 조합하여 양자통신의 실용화를 위한 획기적인 기술진보가 기대된다. 또한 이번에는 선형 통신경로를 해석하고 있으나, 임의의 네트워크에 확장이 가능한 기술적인 요소를 마련하고 있어, 앞으로 광파이버로 연결될 것으로 예상되는 양자 인터넷의 기본기술로서도 크게 기대된다.

그림은 이번에 개발한 양자중계 시스템의 모식도이다.

[참고논문] W. J. Munro, K. A. Harrison, A. M. Stephens, S. J. Devitt & Kae Nemoto, Nature Photonics, “From quantum multiplexing to high-performance quantum networking,” (Published Online)