국내 최고 연구진들의 협업연구로
미래형 첨단 양자컴퓨터 구현 및 검증 방법 해결
- 개방형 연구사업을 통한 융합연구로 양자물리학의 고정관념 깬 검증방법 개발
- 향후 대규모(Large-scale) 양자컴퓨터 구현 및 검증 적용에 기여할 것으로 기대

 

전 세계적으로 수퍼컴퓨터의 한계를 뛰어넘는 양자컴퓨터(Quantum Computer)의 구현에 높은 관심이 모아지고 있다. 최근 국내 최고 수준의 연구진들이 협업 연구를 통해 양자물리학 법칙에 의해 작동하는 ‘미래형 첨단 컴퓨터’인 양자컴퓨터의 구현 및 검증 방법을 해결했다고 밝혔다.  한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 양자정보연구단 조영욱 박사팀은 새로운 융합연구 형태인 개방형 연구사업(ORP, Open Research Program)의 일환으로 「KIST Joint Research Lab」 포항공대 김윤호 교수팀(POSTECH)과 공동연구를 통해 양자컴퓨터의 연산과정을 효율적으로 검증할 수 있는 새로운 방법을 구현하였다고 밝혔다.
KIST는 국가적으로 중요한 미래성장 동력 확보를 위한 개방형 융합연구 형태인 ORP 사업을 통해 양자정보 분야의 국내외 최고 수준의 전문가들로 컨소시움을 구성하고 4차 산업혁명을 이끌 차세대 최첨단 컴퓨터인 양자컴퓨팅 연구를 수행하고 있다. 본 연구 결과는 KIST 양자컴퓨팅 개방형 융합연구사업(ORP)을 통해 구성된 국내 연구진만으로 수행된 결과로 큰 의의를 가진다.

<그림 1> 양자연산과정을 검증하기 위한 양자회로도

이번 연구 결과는 양립할 수 없는 두 관측량을 동시에 측정할 수 없다는 양자물리학의 고정관념을 깨고 두 관측량을 동시에 측정 가능함을 보이고 이를 활용하여 양자연산 과정을 효율적으로 검증할 수 있는 방법을 보인 것이다.

<그림 2> 양자연산과정 검증 예시

양자역학에서 잘 알려진 불확정성 원리에 따르면 서로 양립할 수 없는 관측량들이 존재한다. 대표적인 예로 어떤 입자의 위치와 운동량 성분의 경우 둘 모두를 동시에 측정할 수 없다는 뜻이다. 이는 ‘양자측정’의 행위가 양자상태를 붕괴시키기 때문인데, 이번 연구에서는 가장 일반화된 양자측정 방법에서 허용되는 약한(weak) 양자측정기법을 통해 양자상태를 완전히 붕괴시키지 않음으로써 양립할 수 없는 관측량들을 동시에 측정하는데 성공하였다. 또한, 이러한 양자측정방법을 이용하여 양자컴퓨터의 연산과정을 효율적으로 검증할 수 있는 새로운 기법이 가능함을 보이고 이를 단일광자 큐비트(qubit)*를 이용하여 실험적으로 규명하였다.
*큐비트(qubit) : 양자정보기술에서 기본 정보단위로 현대 정보기술의 디지털 비트(bit)에 해당
KIST 조영욱 박사는 “최근 최첨단 미래기술 중 하나인 양자정보기술은 전 세계적으로 관심이 증대되고 있다.”고 말하면서, “본 연구결과는 양자컴퓨터 개발을 위한 기초과학 성격의 연구 결과로, 양자물리학의 근본원리를 직접 응용하는 양자정보기술 전반에 활용될 것으로 전망하며, 양자컴퓨팅 연구 기반 확보에 큰 도움이 될 것으로 기대한다.”고 밝혔다.
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원으로 KIST 개방형 연구사업(ORP, Open Research Program), 한국연구재단 중견연구자 지원사업으로 수행되었으며,  연구결과는 자연과학분야의 국제학술지인 ‘Nature Communications’ (IF:12.124, JCR 상위분야 4.69%) 1월 15일(월)자 온라인에 게재되었다.

* (논문명) Direct quantum process tomography via measuring sequential weak values of incompatible observables
 - (제1저자) 포항공과대학교 김요셉 학생
 - (공동저자) 한국과학기술연구원 김용수, 이상윤, 한상욱, 문성욱 박사 
 - (교신저자) 포항공과대학교 김윤호 교수, 한국과학기술연구원 조영욱 선임연구원

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차세대 보안통신 '양자암호' 주도권 잡아야

 

장준연 박사

영화 '이미테이션 게임'을 보면 제2차 세계대전에서 연합군이 독일의 암호 체계인 에니그마(Enigma)를 해독해 전쟁을 승리로 이끈 실화가 잘 묘사돼 있다. 비단 제2차 세계대전 뿐만 아니라 고대부터 수많은 전쟁에서 암호는 중요한 전략적인 자원이었다. 특히 인터넷의 발전과 거의 모든 정보가 전산화되고 있는 지식정보 사회에서 안전한 통신 수단의 중요성은 두말할 나위가 없을 것이다. 그런데 2013년 6월 10일 전직 미국 국가안보국(National Security Agency) 요원인 에드워드 스노든(Edward Joseph Snowden)이 '프리즘'이라는 비밀정보수집 프로그램의 존재를 폭로하는 사건이 발생했다. 프리즘은 미국 국가안보국에서 전세계 일반인들을 대상으로 통화기록과 인터넷 사용내역 등 개인정보를 무차별적으로 수집하고 사찰하도록 한 프로젝트다. 중국 같은 일부 반미 국가들의 근거 없는 주장이라고 치부했던 일들이 일부 사실로 드러난 것이다. 이 사건은 미국이 적대국과 우방국, 민간인과 주요인물을 가리지 않고 무차별적으로 정보를 수집하고 사찰을 진행했다는 점에서 많은 이들에게 큰 충격을 줬다. 그런데 더 놀라운 사실은 스노든의 폭로가 있은 지 얼마 지나지 않은 시점 있었던 중국 정부의 발표였다. 중국은 이미 최고 지도부에서 해킹을 차단할 수 있는 양자통신을 사용하고 있다는 것이다. 강대국들은 이미 우리가 모르는 사이에도 치열한 정보 전쟁을 치르고 있었던 것이다.

 

위 사건으로 다시 주목받고 있는 양자암호통신 기술은 1984년, IBM의 찰스 베넷(Charles Bennett)과 몬트리올 대학의 질 브라사르(Gilles Brassard)가 제안했다. 기존 암호통신이 안전성의 기반을 풀기 어려운 수학적 문제에 두고 있었다면 양자암호는 그 기반을 양자역학이란 물리법칙에 두고 있다. 즉 양자암호는 복제가 불가능한 양자 상태의 특성을 이용한다. 쉽게 설명하자면 암호를 이용한 통신에 있어서 핵심인 비밀키 정보에 양자적 특성을 반영하고 그 키를 송·수신자가 안전하게 나눠 갖는 기술이다. 양자역학의 물리법칙이 틀리지 않는 한 그 안전성은 완벽하게 보장된다고 할 수 있다. 한편, 창의 날카로움은 방패의 단단함에 비례해 발전하듯이 최근 양자컴퓨터의 폭발적인 개발속도는 기존 암호통신암호의 안전성을 위협하고 있다. 예를 들어 암호통신을 도청하기 위해서는 복잡한 수학적 계산을 거쳐야 하는데 현존하는 최고의 슈퍼컴퓨터로도 푸는 시간이 무려 1000년이나 걸린다. 반면 양자컴퓨터를 이용하게 되면 이 문제를 수십 분 안에 풀 수 있다. 물론 현재 사용되고 있는 암호통신을 위협할 만한 수준의 양자컴퓨터 는 아직 개발되지 않았다. 비록 현재의 양자암호 언제 개발될지 예측하기조차 어려울 만큼 개발 초기단계일지라도, 구글, IBM 그리고 마이크로소프트 같은 거대 기업들이 투입하는 천문학적인 연구비만 보더라도 개발 시일이 점차 앞당겨지고 있다는 것은 명확해 보인다.

 

미국, 일본, 중국, 유럽 등 많은 선진국에서는 국가의 정책적 지원을 바탕으로 양자 관련 기술개발이 활발하게 이뤄지고 있다. 반면 암호기술은 단순히 외국에서 도입할 수 없는 안보와 관련된 국가 전략기술이므로 국내 기술 확보가 반드시 필요함에도 불구하고 국내에서는 최근에서야 이에 대한 중요성이 부각되고 있다.  그러나 우리가 상대적으로 뒤늦게 관련 연구에 대한 관심과 투자를 시작했다고 실망할 필요는 없다. 아직 양자암호통신의 본격적인 상용화를 위해서는 풀어야 할 기술적인 이슈들이 많이 남아 있는 만큼, 선진국들의 기술에 종속되지 않고 독자적인 기술력을 확보할 시간은 충분히 있다. 다행히도 우리 학계와 정부출연연구소에서 약 10년 전부터 꾸준히 관련 연구를 수행해 오고 있었기 때문에 선진국과의 격차를 따라잡을 수 있는 여건은 갖춰져 있다. 국내 대표 정부출연연구기관인 KIST와 ETRI는 광케이블을 설치할 수 없는 환경에서도 동작이 가능한 프리 스페이스(Free space) 양자암호 기반 기술을 개발했고, 특히 SKT와 KT로 대표되는 우리나라 대표 통신사업자들이 양자암호 기술의 가능성을 보고 본격적인 투자를 진행하고 있는 만큼 국내의 성숙된 ICT 기술 인프라 기반 위에서 선도적인 기술 개발을 진행할 수 있을 것으로 기대된다. 우선 선진국과 상대적인 기술 격차가 크게 벌어져 있는 시스템과 자유 공간(Free space) 양자암호 기술 개발에 박차를 가하고 양자 인증·서명과 같이 아직 전 세계적으로도 연구 초기단계인 기술들에 집중한다면 양자암호 기술을 선도할 수 있을 것이다.

 

2016년 8월 16일 중국은 양자통신 전용 인공위성을 쏘아 올렸다. 이를 이용하여 2017년 9월 네이처지에 1200㎞ 거리에서 1kbps의 속도로 비밀키를 분배한 양자암호 실험 결과를 발표했다. 양자암호 연구에 있어 이정표와 같은 성과로 전 세계 관련 연구자들에게 큰 동기 부여가 되는 연구 결과다. 어떤 연구 분야의 성장은 초기단계에서는 더디게 이루어지다가 어느 시점부터 급속도로 발전하는 경우가 많다. 글로벌 수준의 양자암호 연구는 이제 초기단계에서 급속한 성장단계로 진입하고 있다. 이 시점에서 우리나라도 고유한 기술을 개발하고 이를 기반으로 국내 국가전략기술인 차세대 보안통신 기술을 확보해야 한다. 양자 기술 선진국으로 발돋움 할 수 있도록 관련 연구자들의 분발을 응원한다.

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KIST-KT 양자통신 응용연구센터 개소

양자암호통신 실용화 문제 해결을 위한 공동연구 및 장기 협력 추진

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)과 KT(대표이사 황창규)는 6월 21일(수) 오전 11시부터 수원시 한국나노기술원(KANC)에서 KIST 차세대반도체연구소 장준연 소장과 KT 인프라연구소 전홍범 소장, 한국나노기술원 이대훈 원장 및 관계자들이 참석한 가운데 양자암호통신 실용화를 위한 공동연구 및 장기협력 체제 구축을 위한 ‘양자통신 응용연구센터’ 개소식을 개최했다. 이번 개소식에서는 KIST에서 개발하고 KT 통신망에서 검증해 온 양자암호통신 시스템에 대한 시연회도 함께 진행되었다. 초연결사회로 대표되는 4차 산업혁명은 궁극의 보안기술을 요구하고 있기 때문에 혁신적인 신기술의 출현을 요구하고 있다. 양자암호통신은 복제가 되지 않는 독특한 특성을 가지는 양자(퀀텀)를 통신매체로 적용하여 현재의 도청 기술뿐만 아니라, 미래기술에 의한 통신상의 도청 시도를 원천적으로 방어할 수 있는 궁극의 보안통신 방식으로 평가되고 있다. 초고성능 슈퍼컴퓨터나 양자컴퓨터의 빠른 연산으로 해독될 수 있는 현대의 암호통신과 달리 양자암호통신은 양자역학에 근거한 무조건적인 안전성을 제공하여, 국가의 보안능력을 비약적으로 향상시킬 수 있는 차세대 ICT 보안 기술이다. 이론적으로는 완벽한 안전성을 보장하고 있으나, 실제 경우에는 통신부품들이 갖는 불완전성으로 인해 양자암호통신도 해킹될 수가 있다. 이를 양자해킹이라 하며, 양자해킹은 양자암호통신의 실용화를 위해 반드시 해결해야 하는 대표적인 문제이다. KIST와 KT가 공동 출자하여 설치한 ‘양자통신 응용연구센터’는 양자정보통신 실용화를 위해 해결해야 할 양자해킹 방지기술 연구, 환경 노이즈에 취약한 시스템의 장시간 연속동작 안정성 확보기술 연구 및 평가시스템 구축, 그리고 양자암호통신 구조(architecture) 설계 및 적용사례 발굴 등을 추진하게 된다. KIST 양자정보연구단(단장 문성욱)은 양자 기술 영역에서, KT는 양자암호 기술의 상용 네트워크 적용 및 새로운 서비스 모델 발굴 분야에서 전문 기술을 바탕으로 한 시너지 창출 효과를 기대하고 있다. 테스트베드는 수원 KANC 내에 위치한 KIST 양자정보연구단과 서울 우면동에 위치한 KT 융합기술원에 설치되어 운영될 예정이다. KIST는 2005년 국내 최초로 양자암호통신 시스템을 실험실 환경에서 개발한 바 있으며, 2013년 국제양자암호학회인 Qcrypt 2013에서 양자암호통신 시스템을 시연한 바 있다. 이어 2016년에는 KT 유선망에서 주야간, 계절 간 환경 변화에 따른 현장 검증을 완료하였으며, 장시간 연속 동작을 통해 실제 통신망 환경 변화가 양자암호시스템의 동작에 미치는 영향을 평가하기도 하였다. KIST 연구책임자인 문성욱 단장은 본 사업을 통해 “양자암호통신의 실용화에 걸림돌이 되고 있는 문제점들을 해결하기 위한 기술이 개발되고, 양자암호통신의 새로운 서비스 모델이 구축될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

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