600km가 넘는 광섬유를 통한 양자통신 시연

2021년 6월 8일

도시바 주식회사에서

Toshiba Europe의 Cambridge Research Laboratory는 오늘 길이가 600km를 초과하는 광섬유를 통한 양자 통신의 첫 번째 시연을 발표했습니다. 이 획기적인 발전은 대도시 간 장거리 양자 보안 정보 전송을 가능하게 하며 미래 양자 인터넷 구축을 향한 중요한 진전입니다.

양자 인터넷이라는 용어는 장거리 양자 통신 링크로 연결된 양자 컴퓨터의 글로벌 네트워크를 설명합니다. 클라우드에서 복잡한 최적화 문제를 초고속으로 해결하고, 더욱 정확한 글로벌 타이밍 시스템과 전 세계적으로 매우 안전한 통신을 가능하게 할 것으로 예상됩니다. 예를 들어 미국, EU 및 중국에서는 양자 인터넷을 구축하기 위한 여러 대규모 정부 계획이 발표되었습니다.

양자 인터넷 구축에 있어 가장 어려운 기술적 과제 중 하나는 긴 광섬유를 통해 양자 비트를 전송하는 방법에 대한 문제입니다. 온도 변동과 같은 주변 조건의 작은 변화로 인해 섬유가 팽창 및 수축되어 깨지기 쉬운 큐비트가 뒤섞이고, 이는 섬유의 약한 광 펄스의 위상 지연으로 인코딩됩니다.

이제 Toshiba는 새로운 '이중 대역' 안정화 기술을 도입하여 양자 통신의 기록적인 거리를 시연했습니다. 이는 장섬유의 위상 변동을 최소화하기 위해 서로 다른 파장의 두 개의 광학 참조 신호를 보냅니다. 첫 번째 파장은 빠르게 변화하는 변동을 상쇄하는 데 사용되는 반면, 광학 큐비트와 동일한 파장의 두 번째 파장은 위상을 미세 조정하는 데 사용됩니다. 이러한 새로운 기술을 적용한 후 Toshiba는 수백 km의 광섬유를 통해 전파된 후에도 양자 신호의 광학 위상을 파장의 일부 내에서 일정하게 유지하는 것이 가능하다는 사실을 발견했습니다. 실시간으로 이러한 변동을 취소하지 않으면 섬유는 온도 변화에 따라 팽창 및 수축하여 양자 정보를 뒤섞게 됩니다.

이중 대역 안정화의 첫 번째 응용 분야는 장거리 QKD(Quantum Key Distribution)입니다. 상업용 QKD 시스템은 약 100-200km의 광섬유로 제한됩니다. 2018년 Toshiba는 거리를 연장하는 방법으로 Twin Field QKD 프로토콜을 제안하고 단섬유 및 감쇠기를 사용하여 광 손실에 대한 복원력을 테스트했습니다. Toshiba는 이중 대역 안정화 기술을 도입하여 이제 장섬유에 Twin Field QKD를 구현하고 처음으로 600km 이상의 QKD를 시연했습니다.

결과를 설명하는 기사의 첫 번째 저자인 Mirko Pittaluga는 "이것은 매우 흥미로운 결과입니다."라고 말했습니다. "우리가 개발한 새로운 기술을 사용하면 QKD의 통신 거리를 더욱 확장할 수 있으며 우리 솔루션은 다른 양자 통신 프로토콜 및 애플리케이션에도 적용될 수 있습니다."

도시바 유럽 양자기술사업부 책임자인 앤드루 쉴즈(Andrew Shields)는 "QKD는 최근 몇 년간 수도권 네트워크를 확보하는 데 사용됐다"며 "이번 발전은 양자 링크의 최대 범위를 확장해 전 세계 도시를 연결할 수 있게 됐다"고 말했다. 신뢰할 수 있는 중간 노드를 사용하지 않고 국가 및 대륙에 걸쳐 위성 QKD와 함께 구현하면 양자 보안 통신을 위한 글로벌 네트워크를 구축할 수 있습니다."

도시바 코퍼레이션의 수석 부사장 겸 최고 디지털 책임자인 시마다 타로(Taro Shimada)는 "이번 양자 기술의 성공을 통해 도시바는 빠른 속도로 양자 사업을 더욱 확장할 의향이 있다"며 "우리의 비전은 양자 정보 기술 서비스를 위한 플랫폼이다. 글로벌 규모의 보안 통신을 지원할 뿐만 아니라 클라우드 기반 양자 컴퓨팅 및 분산 양자 감지와 같은 혁신적인 기술도 지원합니다."

자세한 발전 내용은 오늘 과학 저널인 Nature Photonics에 게재되었습니다. 이 작업은 H2020 프로젝트인 OpenQKD를 통해 EU에서 부분적으로 자금을 지원 받았습니다. 현재 팀은 향후 채택 및 배포를 단순화하기 위해 제안된 솔루션을 엔지니어링하고 있습니다.