2026년 초, 중국과학기술대학교(USTC)의 연구진은 확장 가능한 양자 중계기 빌딩 블록을 시연함으로써 양자 컴퓨팅 및 통신 분야에서 획기적인 돌파구를 마련했습니다. 학술지 Nature에 게재된 이 연구 성과는 수명이 긴 이온 트랩 양자 메모리와 효율적인 통신 인터페이스를 활용하여 10km 광섬유 구간에서 얽힘을 구현했습니다. Hao Li, Yi Yang, Ye Wang이 이끄는 연구팀은 원격 양자 상태의 급격한 결어긋남 문제를 극복함으로써, 도시 규모의 양자 네트워크가 물리적 및 기술적으로 실현 가능하다는 최초의 실질적인 증거를 제시했습니다.
글로벌 양자 인터넷의 비전은 양자 통신, 양자 계측 및 분산 양자 컴퓨팅의 원활한 통합에 달려 있습니다. 이러한 네트워크는 정보 처리 및 보안 방식의 패러다임 변화를 약속하며, 고해상도 감지 및 계산 작업의 기하급수적인 속도 향상을 제공합니다. 그러나 이 네트워크의 물리적 토대를 마련하려면 거대한 지리적 영역에 걸쳐 입자들이 거리에 상관없이 연결된 상태를 유지하는 현상인 얽힘을 결정론적으로 분배해야 합니다. 최근까지 먼 거리에서 이러한 취약한 연결을 유지하는 데 필요한 인프라는 업계에서 가장 중요한 '잃어버린 고리'로 남아 있었습니다.
양자 중계기는 광섬유의 광자 손실 문제를 어떻게 해결하는가?
양자 중계기는 긴 통신 링크를 짧은 구간으로 나누고 얽힘 교환(entanglement swapping)을 사용하여 신호를 직접 증폭하지 않고도 이들을 연결함으로써 광섬유의 광자 손실을 극복합니다. 정보를 저장하는 동안 성공적인 링크 확인을 기다리기 위해 양자 메모리를 사용함으로써, 이 중계기들은 장거리 전송 중에 일반적으로 발생하는 결어긋남을 방지합니다. 이 방법은 고전적인 신호를 증폭하는 방식과 동일하게 양자 상태를 증폭하는 것을 방지하는 복제 불가능 정리를 효과적으로 우회합니다.
전통적인 광섬유 통신에서 신호 손실은 증폭기를 통해 빛의 세기를 높임으로써 관리됩니다. 그러나 양자 컴퓨팅 및 통신 영역에서는 양자 상태를 복제하거나 증폭하려는 모든 시도가 원래의 정보를 파괴하기 때문에 표준 증폭기를 사용할 수 없습니다. 유리 섬유에서의 이러한 기하급수적인 광자 손실은 역사적으로 섬유 기반 양자 통신을 비교적 짧은 거리로 제한해 왔습니다. 양자 중계기는 로컬 구간 내에서 얽힘을 생성한 다음 그 얽힘을 다음 구간으로 '교환'하여, 신호 복제 없이도 수백 또는 수천 킬로미터에 걸친 연속적인 링크를 생성함으로써 이 문제를 해결합니다.
2026년 양자 중계기 분야에서 어떤 최근의 돌파구가 있었는가?
2026년의 주요 돌파구는 수명이 긴 이온 트랩 메모리와 고가시성 단일 광자 얽힘 프로토콜의 개발을 통해 10km 거리에서 메모리 간 얽힘을 구축한 것입니다. Hao Li와 동료들이 저술한 이 연구는 얽힘 형성 기간보다 긴 얽힘 수명을 달성하여, 원격 양자 메모리의 급격한 결어긋남이라는 중대한 병목 현상을 해결했습니다. 이는 이론적인 실험실 설계를 도시 규모의 양자 컴퓨팅 네트워크를 지원할 수 있는 기능적 하드웨어로 전환하는 계기가 되었습니다.
USTC 팀이 채택한 방법론에는 몇 가지 주요 기술 혁신이 포함되었습니다. 첫째, 다른 고체 상태 시스템에 비해 현저히 긴 결맞음 시간을 제공하는 이온 트랩 기술을 활용했습니다. 둘째, 이온의 내부 양자 상태를 기존 광섬유 인프라와 호환되는 광자로 변환하는 효율적인 통신 인터페이스를 개발했습니다. 이를 통해 연구진은 얽힘을 구축하는 데 걸리는 평균 시간 내에 10km 광섬유 링크에서 메모리 간 얽힘을 유지할 수 있었습니다. 이러한 동기화는 네트워크 확장을 위한 필수 전제 조건으로, 체인의 다음 링크가 준비되기 전에 양자 정보가 사라지지 않도록 보장합니다.
양자 중계기는 장치 독립적 QKD를 어떻게 가능하게 하는가?
양자 중계기는 직접 광섬유 링크로는 불가능한 거리에서 고충실도 얽힘 분배를 확장함으로써 장치 독립적 양자 키 분배(DI-QKD)를 가능하게 합니다. 점근적 한계 내에서 101km 거리에서 양의 비밀 키 생성률(secret key rate)을 검증함으로써, USTC 팀은 양자 중계기가 '해킹 불가능한' 통신을 촉진할 수 있음을 입증했습니다. 이는 하드웨어의 내부적 결함과 관계없이 통신 보안이 물리학 법칙에 의해 보장됨을 의미합니다.
도시 규모에서의 DI-QKD 실사구시적 시연은 아마도 이 연구의 가장 중요한 즉각적인 응용 분야일 것입니다. 연구팀은 10km 거리에서 약 405,000개의 벨 쌍(Bell pairs)으로부터 1,917개의 비밀 키를 성공적으로 추출했습니다. 이전까지 DI-QKD는 거리에 의해 심각하게 제한되었으나, 이번 새로운 연구는 도달 가능한 범위를 두 자릿수 이상 확장했습니다. 정부, 금융 및 개인 데이터 보안의 관점에서 이는 양자 암호화가 가장 정교한 고전적 또는 양자 해킹 시도로부터 데이터를 보호하는 미래로의 전환을 의미합니다.
양자 컴퓨팅 분야에 미치는 영향은 지대합니다. 이러한 중계기가 확장 가능한 아키텍처를 위한 근본적인 '빌딩 블록' 역할을 하기 때문입니다. 얽힘이 정화(purification) 및 교환(swapping)에 충분할 만큼 오래 구축되고 유지될 수 있음을 증명함으로써, Hao Li와 그의 동료들은 다중 노드 네트워크를 위한 청사진을 제공했습니다. 101km 거리에서 양의 키 생성률을 달성할 수 있다는 점은 양자 노드가 현재의 고전적 인터넷 허브와 유사한 간격으로 배치될 수 있는 시점에 가까워졌음을 시사하며, 이는 세계를 고전 통신에서 양자 보안 통신으로 전환하는 하이브리드 인프라를 가능하게 할 것입니다.
앞으로 양자 컴퓨팅 연구의 초점은 이러한 중계기 모듈을 기존 상용 광섬유 네트워크에 통합하는 방향으로 이동할 것입니다. USTC 팀과 광범위한 과학계의 '다음 단계'는 얽힘 정화 프로세스를 최적화하여 비밀 키 생성률을 더욱 높이고, 네트워크를 메쉬 구성의 다중 노드로 확장하는 것을 포함합니다. 이러한 시스템이 10km에서 100km로, 그리고 궁극적으로 글로벌 규모로 확장됨에 따라 보안이 보장된 상호 연결된 양자 인터넷의 꿈은 이론 물리학의 영역에서 글로벌 통신의 현실로 다가오고 있습니다.
- 주요 연구: 확장 가능한 양자 네트워크를 위한 양자 중계기 빌딩 블록.
- 주저자: Hao Li, Yi Yang, Ye Wang (USTC).
- 주요 이정표: 101km 점근적 성능을 갖춘 10km 광섬유 얽힘 구현.
- 기술: 이온 트랩 양자 메모리 및 통신 인터페이스 변환.
- 보안 응용: 장치 독립적 양자 키 분배(DI-QKD)의 돌파구.
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