양자 정보통신
양자의 물리학적 성질인 중첩, 얽힘, 복제불가 등을 직접 통신 및 정보처리에 이용하는 기술
양자 통신, 양자 컴퓨팅, 양자 센서를 포함
- 양자 통신 – 양자 암호, 양자 전송, 양자 네트워크
- 양자 센서/이미징 – 양자 측정, 양자 센싱, 양자 이미징
- 양자 컴퓨팅 – 양자 시뮬레이션, 물리 양자 비트, 논리 양자 비트, 양자 소프트웨어
양자의 특성 정리
- 중첩성 – 하나의 양자에 여러 상태가 동시에 존재하는 특성.
- 얽힘 – 두 개의 양가자 서로 특정한 관계를 가지는 특성. 두 양자의 거리에 상관없이 하나의 상태가 변하면 다른 하나의 상태도 바로 변함.
- 비가역성 – 측정된 값을 되돌릴 수 없는 특성.
- 불확정성 – 입자의 위치와 운동량을 동시에 측정 불가한 특성.
양자 통신
송신자와 수신자가 양자 채널을 통해 양자 또는 양자 상태 정보를 전송
양자기기 간 통신에 사용, 도청 감지 특성을 지니고 있어 보안성 강화
- 양자 암호 – 양자역학의 원리를 활용해 디지털 정보를 양자상태에 인코딩 하여 안전하게 전송
- 양자 전송 – 양자 얽힘을 이용해 양자 정보를 전송
- 양자 네트워크 – 여러 곳에서 운영중인 양자시스템 사이 양자 노드를 통해 양자 정보 전달
현황 및 전망
양자전송 및 네트워크에서는 얽힘의 상관관계를 이용하여 양자상태를 전송할 수 있고 여러 경로를 연결할 수 있는 기술로서 아직 기초 기술연구에 머물러있음
암호통신의 3단계
계산복잡성에 의한 보안, 정보이론적 보안, 무조건적 안전
계산복잡성에 의한 보안, 정보이론적 보안, 무조건적 안전
무조건적 안전을 보장하려면 - 무한한 계산능력을 가진 정보 탈취자로부터 안전해야 하는데, 계산의 어려움이나 복잡성에 의존하는 PKI나 VPN은 정보보호에 취약
정보이론적 보안 - 광CDMA전송과 같은 물리계층에서의 보안. 현재 기술로는 어렵지만 수 dB의 SNR(Signal to Noise Ratio)를 개선할 경우 충분히 암호를 해독할 수 있음
BB84 양자암호분배 기술과 디바이스 독립 양자암호분배 기술을 사용한 경우가 무조건적 안전한 기술이 될 수 있음.
(※BB84 : 단일광자의 복제불가, 양자난수 등의 성질을 이용하여 두 지점 간 도청의 염려 없이 안전하게 대칭키를 만들어서 서로 가질 수 있는 양자암호분배 프로토콜)
양자통신의 로드맵
1:1암호통신 -> 신뢰노드를 통한 1:1 장거리 암호통신 -> 가입자망 및 무선가입자를 포함한 암호통신 -> 양자기기(센서, 컴퓨터 등) 간 단거리 네트워크 -> 양자라우터에 의한 장거리 네트워크 -> 양자인터넷으로 변화할 것으로 전망
현재 상황 - 미국과 중국의 양자암호통신서비스는 2번째 단계까지 도달
양자 센싱/이미징
전자기장, 중력, 빛 등에 따른 양자의 미세 변화 상태를 측정하여 높은 민감도와 해상도를 가지는 센싱/이미징 기술로 측정
- 양자 측정 – 양자측정 이론에 의한 양자 상태 측정
- 양자 센싱 – 양자 상태의 초미세 변화를 감지하여 광자, 자기장, 중력등의 물리량 센싱 분야에서 초고감도, 초고분해능 등을 구현
- 양자 이미지 – 양자 특성을 사용하여 고전 광학 기술의 한계를 극복한 분해능 또는 양자 상관관계를 이용한 이미징
현황 및 전망
1969년에 랜덤잡음 속에서 신호검출을 위한 통계적 판단이론의 양자역학적 해석과 밀도연산에 의한 양자적 추정방법 등에 대한 이론으로 양자 시스템에서 센싱 가능함을 보였으나 실제 양자시스템은 2010년 이후에나 사용 가능하며 대부분의 양자센서가 실험실에서 연구 중.
다만, 자기장 센서와 중력 센서는 의료분야 적용과 GPS(Global Positioning System) 대체의 유용성 때문에 일부 분야에서는 상업적으로 이용.
양자자기장센서, 양자중력센서는 미국, 중국에서 GPS를 대신할 양자네비게이션 기술로 주목받
고 있으며, 국방분야에 활용될 것으로 예측.
향후, 단순 센싱을 넘어서서 차세대 양자기술로 발전하여 국방, 자율주행, 헬스케어, 측량 등 기존 기술과 융합하여 응용될 것으로 전망
양자 센서 성능
중력센서 - 1나노그램 측정 ( 10^-9 )
자기센서 - 수십펨토테슬라 측정 ( 10^-14 )
회전각속도센서 - 1피코 도/초 측정 ( 10^-12 )
양자이미지 - 수십억화소 ( 10^9 ) 또는 간접촬영
양자컴퓨팅
양자의 특성인 중첩 큐비트를 사용해 여러 경우를 동시에 처리하는 고도화 연산 기술
- 양자 시뮬레이터 – 제어가 비교적 용이한 양자 시스템을 활용해 제어가 어려운 양자 현상을 모사하고 작동원리 및 특성 파악
- 물리 양자비트 – 물리적 수준에서 다중 양자비트 및 범용게이트 정의, 구현, 제어, 측정하여 양자컴퓨터 구현
- 논리 양자비트 – 양자잡음으로 인한 오류로부터 양자정보를 보호하여 논리적으로 안정된 양자비트 구현, 이를 확장해 범용 양자컴퓨터 구현
- 양자 소프트웨어 – 양자컴퓨터 구현 및 활용을 위한 소프트웨어 알고리즘 및 아키텍처 기술과 양자컴퓨팅 이론
양자컴퓨터의 종류 및 현황
종류
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설명
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주 사용분야
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작동환경
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주요기관
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Gate 방식
양자컴퓨터
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큐빗에 대해 양자 로직 게이트 연산 적용을 통해 양자상태를 변경시킴으로써 양자계산을 수행하는 것으로 고전컴퓨터의 논리 게이트 적용으로 계산이 수행되는 것과 유사. 양자게이트는 X, Y, Z, S, T, H, CNOT 등이 있음. 연산방법은 회로모델, 1방향연산모델 등이 있고, 에러율 저하와 양자상태 유지시간 향상 연구 등이 중요
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소인수분해
데이터 검색
행렬계산
추천알고리즘
양자게임
암호해독(예상)
인공지능(예상)
빅데이터(예상)
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극저온
차폐환경
또는
저온/진공
저압환경
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IBM
구글
Regetti
IonQ
Oxford
인스브룩대
인텔
MS
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양자
시뮬레이터
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다체(many body)문제 등 양자화학, 양자물리의 문제를 풀기 위해 큐빗으로 모델링하고 양자 연산을 통해 양자적 거동을
직접 수행함으로써 문제를 푸는 양자시스템
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촉매 거동 해석
광합성 해석
원자핵 분석
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하버드
IonQ
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양자
어닐러
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풀고자하는 문제를 큐빗에 의한 에너지의 분포로 표현하고 에너지 최소 상태를 양자 터널링 등의 방법으로 순식간에 찾아냄으로써 계산을 수행되는 컴퓨터. 여러 가지로 차선의 해법이 있어서 최선의 최적화 해법을 찾기 어려운 문제에 적용시 효과를 발휘
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물류 최적화
공정 최적화
투자포트폴리오
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극저온
차폐환경
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D-Wave
구글
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디지털
어닐러
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양자 어닐러와 같은 방법으로 표현된 에너지 분포에 대해 몬테카를로법 등 다른 방법으로 에너지 최소 상태를 찾아내는 방법. 양자적 방법은 아니지만 상온동작, 스케일업, 디지털컴퓨터와의 통합 등에서 유리한 점이 있음
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상동
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상온
고전컴퓨터
작동 환경
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후지쯔
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SW
시뮬레이터
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게이트 방식 양자컴퓨터의 기능(큐빗의 중첩, 얽힘 등)을 PC, 클라우드, 슈퍼컴퓨터 등의 고전컴퓨터에 SW적으로 구현한 시뮬레이터. 50큐빗 정도 얽힘을 표현하더라도 140테라바이트의 메모리가 필요하므로 무한정 많은 큐빗을 표현할 수 없음
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게이트 방식 양자컴퓨터와 동일
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상온
고전컴퓨터
작동 환경
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MS
IBM
Atos
알리바바
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현황 및 전망
양자 컴퓨터의 전산 모델링은 1980년대에 제안, 1990년 암호해독 가능성을 제시한 이래로
현재 시연 가능한 큐빗을 만들 수 있게 되었으며 민간 투자가 활발히 진행중
하지만 2큐빗 연산 에러율이 수 퍼센트에 이르고, 수 천 큐빗의 논리큐빗과 양자 메모리를 갖춘 궁극적인 양자 컴퓨터를 개발하기까지의 로드맵 제시가 어려움
그럼에도 다양한 방식으로 진전(하나의 프로세서 칩에 탑재 가능한 큐비트 수 증가, 오류정정기술 향상 등)이 이뤄지고 있는 만큼 더 지켜봐야 할 것으로 보임
참고문헌
박성수, 송호영, 전자통신동향분석 제 34권 제2호 양자정보통신기술 현황과 전망, 2019년 4월
https://ettrends.etri.re.kr/ettrends/176/0905176007/34-2_60-72.pdf
