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기존 정보통신의 한계를 극복하다, 양자 정보통신기술
작성자 : 강대신문
작성일 : 2022-04-09 03:06:23
조회 : 79
첨부파일 : 양자 관련 기술 개념 및 도입 효과.jpg (33.38KB) 다운로드 : 11
호년월일 : 제1355호 2022년 4월 11일
발행일 : 2022-04-11

기존 정보통신의 한계를 극복하다, 양자 정보통신기술

지난달 29일 강원도는 ‘양자로 설계하는 미래, 강원도가 함께’라는 주제로 ‘2022 강원 양자정보통신기술 국제 포럼’을 개최했다. 국제 포럼에서는 양자기술 분야 국내‧외 현주소와 방향을 공개했고, 강원도 신성장 산업과의 융합 방안 등이 논의됐다.
이에 양자 기술에 대해 알아보고, 이번 국제 포럼에 참여한 우리 대학교 물리학과 정지윤 교수와의 인터뷰를 통해 양자 정보통신기술의 현 상황 및 개발 방향에 대해 보도하고자 한다.

양자로 설계하는 미래, 강원도가 함께
‘양자로 설계하는 미래, 강원도가 함께’라는 주제로 개최된 ‘2022 강원 양자정보통신기술’ 국제 포럼 1부에서는 중국 칭화대 왕상빈 교수와 미국 캘리포니아대학교 김한영 교수의 기조강연이 진행됐다. 2부에서는 양자 암호화 통신 기술의 현황 및 개발 방향, 3부에서는 양자 감지 기술의 현황 및 발전 방향에 대한 정보 공유가 이뤄졌다. 이번 포럼은 새 정부의 과학기술 5대 강국 선포와 항공우주, 탄소중립, AI, 바이오헬스 등과 함께 양자기술을 5대 메가테크로 설정하고 밑그림을 그리는 중요한 시기에 맞춰 강원도의 양자기술 선도를 위해 진행됐다.

더 안전하고 빠른 생활을 위해, 양자 정보통신기술
국제 포럼의 핵심은 양자 정보통신기술이었다. 양자란 더 이상 나눌 수 없는 에너지의 최소단위를 말한다. 양자 정보통신기술이란 양자역학적 특성을 정보통신 분야에 적용해 기존 정보통신의 한계를 극복할 수 있는 기술을 의미한다. 현재 가장 활발히 연구되고 있는 분야로는 양자컴퓨터, 양자암호통신, 양자센싱 등이 존재하며, 이들은 각각 서로 다른 양자역학적인 현상을 활용한다. 
먼저 양자 컴퓨터는 0 또는 1의 값을 가지는 ‘비트’를 단위로 해 작동하는 일반 컴퓨터와는 달리, ‘큐빗’이라 불리는 0과 1의 양자역학적 중첩상태와 이 큐빗들 사이의 양자 얽힘을 통해 데이터를 병렬 처리한다. 이를 통해 연산속도의 엄청난 향상을 가능하게 한다. 과학기술정보통신부에 따르면 1천24비트 암호해독에 1백만 년과 30MW의 전력이 소모되는 기존 기술과는 달리 1천24비트 암호해독에 10시간과 0.05MW의 전력만이 소모될 것으로 예상된다. 현재 양자컴퓨터는 아직 개발 초기 단계에 있으며, 유용한 활용을 위해 큐빗이 서로 얽히면서 노이즈가 발생해 결괏값에 오류가 일어나는 ‘양자오류’ 등 극복해야 할 과제가 많이 남아있는 상태이다.

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▲ 양자 기술이 주로 사용되는 분야에는 양자컴퓨터, 양자암호통신, 양자센서 등이 있으며, 기존 기술보다 연산 시간을 단축하는 초고속, 불법 도‧감청 및 해킹을 원천 차단하는 초신뢰, 0.05mm 이하 암세포를 식별하는 초정밀이라는 키워드를 가진다. (출처: 과학기술정보통신부)

양자암호통신은 양자역학적으로 얽힌 단일 광자를 양자로 활용한다. 단일 광자란 양자화된 전자파인 빛의 단일 입자를 뜻하는 것으로, 양자암호통신 분야에서 동일한 양자 상태의 복제가 불가능한 양자 암호키 생성에 사용된다. 또한, 한 번 양자를 측정해 그 값을 구하면 측정 이전의 상태로 되돌릴 수 없다는 점을 활용해 암호화 통신의 도청 및 해킹을 불가능하게 만든다. 양자암호통신의 경우 현재 일상생활의 많은 부분에서 사용되고 있다. 예시로는 2020년 양자난수 생성기 칩을 탑재한 핸드폰의 출시가 있다. 양자난수 생성기란 패턴이 있어 역추적이 가능한 기존 일회용비밀번호(OTP)와는 달리 특정 패턴이 없어 분석 자체가 불가능한 순수 난수를 만드는 장치이다. 또한, 성수-둔산-태평으로 이어지는 3백30km 길이의 LTE 및 5G 네트워크 연결망에는 이미 양자키분배라는 암호 시스템이 설치돼 있다.

양자 정보통신기술의 개발과 전망
양자 정보통신은 미래 산업을 좌우할 잠재성이 높은 차세대 게임체인저라고 여겨진다. 올해 양자 기술 연구를 위해 사용되고 있는 공적 기금은 전 세계적으로 3백억 달러에 달한다. 또한, 2030년까지 양자컴퓨팅의 경우 연간 50%의 시장 성장률을, 양자암호통신의 경우 연간 25%의 시장 성장률을 보일 것으로 전망되고 있다. 
양자 정보통신기술 개발의 가장 근본적인 과제는 안정적으로 양자 상태를 얻는 것이다. 양자컴퓨터의 경우 더 많은 큐빗을 동시에 제어하는 것이 지상과제이고, 양자암호통신의 경우 위성이나 드론 등을 활용해 공간의 제약 없는 통신을 구현하는 연구들이 진행되고 있다. 이를 위해 높은 품질의 단일 광자를 생성해 통신의 품질을 향상시키는 것이 필요하다. 이외에도 양자컴퓨팅을 위한 알고리즘 효율 향상, 더 이상 나뉠 수 없는 최소 에너지 단위인 광자를 측정해 물체를 감지하고 물질을 분석하는 기술인 양자센싱의 소자 개발 등 다양한 방향의 연구들이 이뤄지고 있다.

양자 기술 선점 방안을 위한 노력
현재 강원도는 한림대학교, 그리고 한국전자통신연구원(ETRI)이 중심이 돼 무선 양자암호통신을 위한 중계 플랫폼 개발을 추진하고 있다. 강원도가 양자 기술을 선점하기 위해서는 이와 같이 지자체와 학교, 연구소, 그리고 산업체가 공동으로 참여하는 형태의 프로젝트를 추진해 노하우와 원천기술을 확보하는 것이 우선적으로 필요하다. 이를 통해 강원도에 양자 기술 관련 산업체 및 국가 연구기관이 유입되고 도내에서 관련 인재가 양성되는 선순환이 이뤄진다면 강원도 내에 양자정보 기술 산업 클러스터를 구축할 수 있을 것이다.
양자 관련 기술은 원리를 이해하는 것도 중요하지만, 해당 기술을 실제 소자에 적용할 수 있는 능력을 키우는 것도 중요하다. 실제로 이번 국제 포럼에 참석한 양자 기술 관련 회사 사장은 “직접 양자 광학계를 셋업하고 만들 수 있는 인재가 필요하다.”라며 능력 있는 인재의 중요성을 드러냈다. 
능력을 키우기 위해서는 양자역학에 대한 기본 지식뿐만 아니라 간섭계를 설계하고 만들 수 있는 광학적 소양, 소자 제작 및 패키징을 위한 팹시설 사용 경험 및 전기회로에 대한 기본적인 지식 등이 복합적으로 필요하다. 따라서 대학에서는 관련 커리큘럼을 개발하면서 학생들에게 실험, 실습의 기회를 주도록 노력하고, 이와 동시에 산업체 또는 국가연구시설에서 현장 경험을 할 수 있는 기회를 확보하는 것이 중요하다.

우리 대학과 양자 정보통신기술
우리 대학에서는 양자 정보통신만을 위해 만들어진 교육 프로그램은 아직 존재하지 않는다. 다만 양자 정보통신은 양자역학적 얽힘과 중첩에 기반을 두고 있고, 이러한 상태를 만들기 위해 비선형 결정과 레이저가 활용된다. 이 점을 봤을 때 물리학과 전공 수업 중 양자역학과 고체물리학, 그리고 광학 수업을 통해 양자 정보통신의 기초를 닦을 수 있다.
우리 대학 정지윤 교수(물리학과)는 “양자 정보통신 기술은 대학 단독으로 추진하기에는 한계가 있어 지자체와 산업체, 연구소 등이 협력 체계를 구축하는 것이 매우 중요하다.”라고 밝혔다. 또한, “대학에서 기본 소양과 관련 경험을 갖춘 인재를 양성하고 이들이 산업체 및 연구소 등에서 활약하는 선순환이 이뤄질 수 있도록 하루 빨리 연구‧산업 생태계가 조성됐으면 한다.”라고 말했다.

이 기사는 정지윤 교수님의 인터뷰 내용을 토대로 작성되었음을 밝힙니다.


김지연 기자

<jyeonii@kangwon.ac.kr>