고려대학교 전기전자공학부 허 준 교수 

 

서울대학교 전자공학과 학사, 석사 

USC EE 공학박사

고려대학교 공과대학 교수 (2007.02 - 현재)

고려대학교 초신뢰양자인터넷센터 센터장 (2021.06 - 현재)

고려대학교 스마트양자통신센터 센터장 (2015.06 – 2020.12)

고려대학교 산학협력단장 (2019.02 - 2021.01)

국가과학기술자문회의 양자기술특위 전문위원(2021.21 - 현재)

1) 양자인터넷이란 무엇이고, 어떤 역할과 의의를 가지는가?

양자인터넷(Quantum Internet)은 양자 역학의 원리를 기반으로 하는 양자통신 네트워크를 의미하며, 전통적인 디지털 컴퓨터와 디지털 통신 방식과는 다른 양자기술을 활용하여 정보를 전달하는 네트워크이다. 양자인터넷은 양자 얽힘, 양자 중첩 등의 양자 속성을 활용하여 데이터를 암호화하고 전송하는 데 사용될 수 있으며, 기존의 디지털 인터넷 방식과 차별화되는 장점으로는 인터넷상에 오가는 정보의 보안성이 크게 향상되며, 양자인터넷이 분산 양자 컴퓨터와 결합되어 고속 연산 능력을  제공할 수 있다.

양자인터넷을 구성하는 주요 요소 기술은 다음과 같이 정의할 수 있다.

- 양자 암호 통신: 양자 역학의 특성을 활용하여 정보를 안전하게 암호화하는 요소 기술로서, 디지털 정보를 중간에서 도청하거나 해킹하는 것을 불가능하게 함

- 양자 얽힘 (Quantum Entanglement): 상관도가 매우 높은 한 쌍의 양자 상태로서 양자 인터넷의 송신자와 수신자가 얽힘 쌍을 각각 하나씩 나누어 가진 후에 디지털 및 양자 정보 전송 및 처리에 활용한다. 

- 양자 비트 (Qubit): 양자 인터넷에서는 디지털 비트 대신 양자 비트인 '큐비트(Qubit)'를 이용한다. 큐비트는 0과 1 두 가지 상태뿐 아니라 두 가지의 중첩 상태를 표현 할 수 있다. 

- 보안 강화: 양자 인터넷을 통해 데이터의 보안성이 크게 향상되며, 양자 역학의 원리를 이용하기 때문에 보안 프로토콜이 고도화되어 중요한 정보를 안전하게 전달할 수 있다.

- 양자 중계기: 양자인터넷의 송신자와 수신자 사이의 전송 거리를 확대하기 위하여 송/수신자 중간에서 양자정보를 중계하는 기술이다. 양자 얽힘과 양자정보 변환 기술이 요구되어 아직 전 세계적으로 구현에 성공하지 못하였으며, 현재는 양자정보를 디지털정보로 변환하여 중계하는 신뢰 노드 기술이 구현 가능하다.

2) 양자인터넷이 산업이나 실생활에서 어떻게 활용이 가능한지 궁금하다. 

양자인터넷 출현은 산업과 실생활에서 다양한 파급효과를 나타낼 것으로 예상된다. 양자인터넷의 가장 큰 장점인 정보 보안 기능은 금융산업, e-commerce, 의료산업 등의 각 분야에 적용되어 다음과 같은 파급효과가 기대된다.

첫째, 금융 기관과 개인 사이에 오가는 금융 정보가 양자인터넷을 통해서 안전하고 자유롭게 교환되면 국외 주식 투자 확대, 인터넷 금융 거래 확대, 금융 기간 사이의 정보 공유 확대 등으로 인터넷을 이용한 금융 거래 및 금융 상품 판매가 확대되어 경제적 파급력이 매우 클 것으로 기대된다.

둘째, 인터넷 기반의 상품 구매는 이미 매우 확대되어 있으나 인터넷 사기 등의 부작용도 같이 증가하고 있다. 양자인터넷은 인터넷 상품 구매의 불안 요소를 최소화하여 e-commerce 규모를 크게 확대하는 산업 파급효과로 이어진다. 

셋째, 개인 의료 정보의 안전한 관리에 대한 문제점이 해결되지 못하여 원격의료는 많은 장점에도 불구하고 시행하지 못하고 있다. 양자인터넷을 통하여 원격 의료 정보 전송에 대한 안전성이 확보되면 다양한 의료기관에서 진료를 받는 경우에도 중복하여 동일한 검사를 반복할 필요 없이 기존 검사의 자료가 다른 의료기간으로 안전하게 전송될 수 있다. 환자와 의료기간 사이의 물리적 환경에 대한 제약이 축소되어 원격의료 등의 다양한 의료 서비스가 확대되며 따라서 의료 분야의 다양한 산업 모델이 예상된다.

넷째, 양자인터넷은 새로운 비즈니스 모델을 가능하게 할 것이다. 안전한 통신을 통해 원격 작업 및 협업이 증가할 수 있으며, 이는 생산성 향상에 기여할 수 있다. 또한 새로운 서비스 및 제품을 개발하는 기회가 열릴 수 있으며, 이로써 새로운 시장을 창출할 수 있다. 

3) 초신뢰양자인터넷센터는 양자기술 수요조사부터 표준화 기술개발까지 양자인터넷 연구에 앞장서고 있다. 최근의 주목할 만한 성과가 있다면 소개해 달라.

초신뢰양자인터넷센터는 2021년에 과학기술정보통신부와 IITP 의 지원을 받아 대학연구센터(ITRC) 사업의 일환으로 고려대에 설립되었다. 고려대를 중심으로 서울대, 서울시립대, GIST 4개 대학의 9명의 교수와 55명의 석사/박사과정 대학원생과 7개의 참여 중소기업이 협력하여 양자인터넷과 관련된 양자정보통신기술을 개발하고 있다. 최근에 주목할 성과로는 양자인터넷을 통한 신호 전송의 핵심이 되는 양자 얽힘 생성을 광섬유기반 편광 광자 쌍 생성 기반으로 성공하여 해당 결과를 국제적으로 유명한 국외 저널 (Laser Physics Letters)에 게재하였다. 또 다른 성과로는 양자컴퓨터 구현에 핵심이 되는 양자오류정정부호에 대한 논리 큐비트에 대한 효율적인 구조를 제안하여 성능의 우수성을 검증하였다(국외저널 Quantum Information Processing 게재).

또한 양자컴퓨터와 양자인터넷 등의 양자정보통신 인프라에서 꼭 필요한 기술 중에 하나가 양자메모리 구현 기술이다. 본 센터에서는 지난 10여 년간 연구되어온 양자메모리 구성 방식의 문제점을 분석하고 향후 개선된 양자메모리 구성 방식에 대하여 제시하였다(국외저널 Entropy 게재). 이상과 같이 초신뢰양자인터넷센터는 양자정보통신 전 분야에 필요한 요소 기술을 개발하고 그 성과를 국내외에 발표하고 있다. 

4) 양자정보통신 기술의 발전과 생태계 활성화를 위해 6세대(6G) 이동통신과 양자기술 연계가 필수라고 지적했는데 구체적으로 설명한다면.

6세대(6G) 이동통신이 5세대(5G) 이동통신과 차별화되어 산업적으로 성공하기 위해서는 그동안 이동통신 분야에서 상대적으로 중요성을 주목받지 못했던 정보보안의 기능이 차별적으로 개선되어야 한다. 6G 이동통신의 주요 응용분야로 지목되는 자율주행 자동차 또는 자율주행 비행체 등의 경우에 운전 정보를 악의적인 목적으로 도청하거나 해킹한다면 안전에 커다란 문제가 발생할 수 있다. 따라서 자율주행을 위해서는 운행 정보의 보안이 매우 중요하다. 또한 한국의 ICT 강점을 살리기 위해서는 6G 이동통신인 민간 상용 기술과 군사 통신 기술이 함께 발전되어 상호 보완하면서 발전하는 것이 중요한데 군사 통신의 경우 정보 보안이 최우선으로 중요한 과제이므로 양자정보통신의 보안성 기술이 6G 이동통신 기술과 연계될 경우에 두 분야가 모두 윈-윈 할 수 있는 해법이라고 할 수 있다.

5) 양자통신 분야에서 해결해야 할 가장 큰 과제는 무엇이라고 생각하며, 어떻게 연구가 이뤄지고 있는가.

양자통신 분야에서 해결해야 하는 여러 가지 문제 중에 가장 큰 두 가지 주제는 양자얽힘생성(Entanglement generation)과 양자 중계기의 개발이다.

 양자 얽힘은 양자네트워크를 구성하는 핵심요소로서 송/수신자 사이에 많은 양의 얽힘 쌍을 나누어 가진 후에는 양자원격전송(Quantum teleportation) 원리에 기반 하여 디지털 통신을 이용하여 양자상태를 효과적으로 전송할 수 있다. 또한 양자 얽힘을 나누어가진 상태에서 디지털 정보만 주고받는 것을 통하여 원격 양자 연산도 가능하다. 양자 얽힘 생성 기술은 최근에 비약적으로 발전하여 2023년 뮌헨 광소자 전시회에서 여러 업체가 얽힘 생성 모듈을 구현하여 전시하였다. 하지만 아직 생성된 얽힘 쌍의 신뢰도 및 결맞음 시간 등에서 개선할 점이 많이 남아 있으며 현재 초기 기술 단계로 평가할 수 있다.

두 번째 해결과제는 양자중계기의 개발 및 구현이다. 양자중계기는 양자채널을 통하여 양자신호가 전송되는 과정에서 발생하는 양자 신호감쇄를 보정하여 전송거리를 증가시키기 위한 기기이다. 양자 중계기는 얽힘 양자 상태를 측정하고 얽힘을 교환하는 역할을 하며, 양자상태를 보존하기 위하여 양자메모리를 필요로 한다. 양자 중계기에서 양자신호를 처리하는 과정에서 손실 오류(loss error)와 연산 오류(operation error)가 발생할 수 있다. 손실 오류는 양자 중계기 사이에 감쇄에 의해 발생하며, 연산 오류는 각 중계기에서 양자 게이트 연산을 수행하는 과정 및 측정이 완벽하지 않아 발생한다. 이러한 손실 오류와 연산 오류를 줄이는데 사용되는 방식에 따라 양자 중계기를 1세대, 2세대, 3세대로 분류하며, 현재 1세대 양자 중계기를 개발하고 있는 단계이다. 

6) 양자통신분야에 관심을 갖고 진출을 희망하는 사람에게 조언 한마디

양자통신분야는 양자인터넷과 양자컴퓨터로 연결되는 양자정보통신의 핵심 분야이다. 양자정보통신 기술은 아직 시작 단계여서 통신과 컴퓨터, 인터넷에 필요한 기술들이 상호 간에 혼재되어 있다. 따라서 양자통신을 공부하고 연구하면 향후에 양자컴퓨터 및 양자인터넷 분야로 쉽게 진출할 수 있다. 양자통신분야는 지난 50년간 지속된 디지털 통신 기술 및 관련 산업의 눈부신 발전에서 많은 교훈을 얻어서 현재 여러 가지 양자정보통신 기술 중에서 산업에 가장 가깝게 발전된 양자정보기술 분야이다. 공학적인 기술과 물리학, 수학 등의 자연과학이 융합되어 있어서 자연원리를 이해하고 그것을 응용하는데 관심을 갖는 사람에게 매우 적합한 분야라고 할 수 있다.