양자기술 완벽 안전성 최초 증명…물리학 최고권위 PRL표지논문(종합)

KIST 양자정보연구단 연구성과 "양자 컴퓨팅·양자 암호 원천기술로 활용 기대"

한국과학기술연구원(KIST) 양자정보연구단 연구팀이 양자 기술의 완벽한 안전성을 입증해 이와 관련한 중요 논문을 발표했다.

해당 논문은 물리학 분야의 최고 권위지로 꼽히는 미국 물리학회의 '피지컬 리뷰 레터스'(Physical Review Letters·PRL)에 지난 2월 4일 표지논문으로 실렸다.

기술 패권 전쟁의 핵심 분야 중 하나인 양자 기술은 양자 역학적 원리를 컴퓨팅, 통신 등에 접목하는 기술을 통칭한다.

초고속 연산이나 보안 분야 등에서 산업 생태계의 패러다임을 바꿀 수 있는 '게임체인저'로 불린다.

양자 기술의 안전성을 약한 측정 영역에서 증명해 낸 이번 연구는 양자 물리학의 측정 이론과 양자 정보의 손실 등의 문제를 해결할 수 있는 실마리 제공할 것으로 기대된다.

◇ 학계 난제 '되돌림' 확률까지 고려해 양자 정보 보전 관계 증명
한국과학기술연구원(KIST)은 양자정보연구단 홍성진, 임향택, 이승우 박사팀이 양자 측정에서 완벽한 정보 보존 관계식을 최초로 유도하고 검증해냈다고 7일 밝혔다.

양자 측정과 양자 중첩은 양자 역학을 기본으로 깔고 있는 현대 과학과 공학의 근간에 자리잡은 핵심 개념으로, 양자 암호 통신 기술의 '안전성'(security)과 밀접하게 연관돼 있다.

측정으로 양자 상태에 대한 더 많은 정보를 얻을수록 그 양자 상태는 더 많이 변화(교란)된다.

이는 양자 측정에서의 '정보 이득'과 '상태 변화'의 보존 관계로 알려져 있으며 양자 기술의 안전성을 보장하는 법칙이다.

연구팀은 'security', 'secure'라는 영문 표현의 번역어로 '안전성', '안전'이라는 용어를 썼다.

흔히 쓰이는 '보안성', '보안'이라는 번역 표현은 의미가 지엽적이어서 이 경우는 '안전성', '안전'이라는 표현이 더 낫다고 판단했다는 것이 연구팀의 설명이다.

양자 측정과 약한 측정을 물리학의 유명한 사고 실험인 '슈뢰딩거의 고양이'를 통해 해석하면 상자 안의 고양이는 살아있으면서 동시에 죽어있는 상태(양자 중첩)로 존재할 수 있고, 상자를 열어보는 순간(양자 측정) 고양이의 생사가 결정된다.

약한 측정은 측정하려는 양자 상태를 일부분만 측정하는 방법을 말한다.

상자를 다 열어보지 않고 살짝 열어서 고양이의 꼬리만 보는 것에 비유할 수 있다.

최근 과학계에서는 약한 측정 후 변화된 양자 상태를 초기 상태로 되돌리는 '되돌림' 연산이 가능하다는 사실이 알려졌다.

이 때문에 약한 측정에서 발생하는 '정보 이득', '상태 변화' 뿐만 아니라 측정의 '되돌림' 확률까지 모두 통합해 양자 정보의 보전 관계를 증명하는 일이 양자 기술의 완벽한 안전성을 보장하기 위한 핵심 과제로 떠올랐다.

연구팀은 되돌림 확률까지 통합한 완벽한 보존 관계식을 이론적으로 유도했다.

또 편광판과 편광자 등의 선형 광학 소자를 이용해 약한 측정과 되돌림 연산을 구현하고 단일 광자로 구현된 3차원 양자 상태에 적용해 정보 이득, 상태 변화, 되돌림 간의 정보 보존 관계를 실험적으로 검증했다.

연구팀은 "완벽한 정보 보존 관계식은 측정으로 양자 상태에 대한 더 많은 정보를 얻을수록 그 양자 상태는 더 많이 변화되거나 초기 상태로 되돌릴 수 있는 확률이 낮아진다는 사실을 보여준다"고 말했다.

◇ "목적에 맞는 양자 측정 설계 가능…양자 기술 분야 원천 기술로 활용"
양자 암호 통신에서 초기 양자상태로 되돌릴 확률이 존재하면 안전성이 보장되지 않는다.

이번 연구는 측정 세기가 증가해 양자 상태에 대한 더 많은 정보를 얻는 행위는 양자 상태를 더 많이 변화시키고, 이로써 약한 측정 이전의 초기 양자 상태로 되돌릴 수 있는 확률이 낮아진다는 새로운 정보 보존 관계를 최초로 증명해냈다는 의의가 있다.

임 박사는 연합뉴스에 "양자 보안은 해커가 양자 측정으로 정보를 얻어내면 그 양자 상태가 깨지는 성질이 있어 원리적으로 안전하다"며 "하지만 해커가 정보를 조금씩 얻어내고 다시 양자 상태를 되돌려 놓을 수 있는 약한 측정을 한다면 해킹이 가능해진다"고 말했다.

그는 "이번 연구는 해커가 양자 상태를 되돌릴 확률까지 모두 고려해, 해커가 정보를 다 빼내려고 하면 되돌릴 가능성이 점점 '0'으로 간다는 것 보여준 것"이라고 부연했다.

이번 연구 결과는 PRL 게재 심사 과정에서 심사 위원들의 극찬을 받은 것으로 알려졌으며, 제출된 연구 논문은 수정 없이 바로 게재 승인을 받았다.

임 박사는 "PRL에 게재된 이후 연구 성과가 미국 물리학회(APS) 홈페이지에 주요 기사로 실렸다"며 "영국 물리학회가 발행하는 '피직스 월드'(Physics World)와 별도 인터뷰도 진행했다"고 말했다.

연구팀은 이번 연구로 필요에 따라 정보 이득, 상태 변화, 되돌림의 양을 조절해 목적에 맞는 양자 측정 설계가 가능해졌다며 양자 컴퓨팅, 양자 암호, 양자 전송 분야에서 최적화 기술로 적용되리라 기대했다.

논문 제1저자인 홍 박사는 연세대학교에서 물리학과를 졸업한 뒤 같은 대학에서 박사 학위를 취득했으며 현재 KIST 박사 후 연구원으로 재직 중이다.

임 박사는 포항공대(포스텍) 물리학과에서 박사 학위를 취득한 뒤 스위스 취리히연방공과대학교 박사후연구원으로 일했다.

이 박사는 한국과학기술원(KAIST) 물리학과에서 학·석사, 영국 옥스포드대학교에서 박사 학위를 받았다.

/연합뉴스