양자 네트워크 (Quantum Network)

<양자 기술백서 |

       ┗|양자컴퓨팅의 구현>

              ┗<양자 센서|양자 암호 통신>

개요

양자 네트워크는 물리적으로 분리된 두 양자 프로세서(quantum processor) 간 양자 상태를교환할 수 있게 하는 전송매체이다. 양자 프로세서는 양자 논리 게이트(quantum logic gate)를 실행할 수 있는 작은 양자 컴퓨터이다. 양자 네트워크의 이점은 주로 계산(computation)과 통신(communication) 측면에서 고려된다. 계산에 주는 이점은 양자 네트워크를 통해 여러 양자 프로세서를 연결하여 더 계산 능력이 좋은 양자 컴퓨팅 클러스터(quantum computing cluster)를 만들 수 있다 (Kimble, 2008; Caleffi, 2018). 통신에 주는 이점은 국소적인 양자 네트워크들의 연결을 통해 멀리 떨어진 여러 양자 프로세서들간의 양자 정보 교환을 가능하게 해준다. 이런 양자 인터넷(quantum internet)의 구축은 수많은 애플리케이션(application)들을 가능하게 한다. 그리고 대부분의 양자 인터넷 애플리케이션들은 고성능의 양자 프로세서를 요구하지 않는다. 예를 들어 양자 키 분배(quantum key distribution)의 경우 단일 큐비트를 측정하고 준비할 수 있는 양자 프로세서만 있어도 구현할 수 있다.

양자 네트워크의 요소 (Elements of a Quantum Network)

양자 네트워크의 기본적인 구조는 고전 네트워크(classical network)와 유사하다. 첫째로 애플리케이션들이 최종적으로 실행될 수 있는 종점 노드(end node)가 필요하다. 종점 노드는 최소한 단일 큐비트 이상의 양자 프로세서들로 구성된다. 종점 노드는 양자 정보를 받을 수도 있고 방출할 수도 있다 (Van Meter, 2014). 양자 논리 게이트를 실행할 수 있는 종점 노드로는 다이아몬드의 NV center(Nitrogen-Vacancy center) 또는 이온 트랩(ion trap)으로 주로 구현된다 (Van Meter, 2014). 둘째로 큐비트들이 노드에서 노드로 전달하는 통신 회선(communication line)이 필요하다. 주로 광손실(optical loss)이 상대적으로 작은 광통신 파이버(telecom fiber)를 통신파장대역 양자광원으로 연결하는 것으로 구성된다. 다른 방법으로는 대기나 진공을 통한 자유공간(free space) 네트워킹이 제안된 바 있다 (Gisson 2002). 셋째로 원거리 통신에서 일어날 수 있는 신호 잃음이나 결잃음을 막기 위해 리피터(repeater)가 필요하다. 고전 통신에서는 신호 증폭을 통해서 이 문제를 해결할 수 있지만, 양자 통신에서는 큐비트를 복사할 수 없기 때문에 고전 통신과 같은 증폭을 이용할 수 없다 (Wootters 1982). 따라서 양자 리피터(quantum repeater)는 얽힘과 양자 전송(quantum teleportation)을 이용하여 물리적으로 큐비트를 보내지 않고 큐비트의 정보를 노드 끝에서 끝으로(end to end) 전송한다 (Bouwmeester 1997). 마지막으로 네트워크를 좀 더 효율적으로 사용하기 위해서 광학 스위치(optical switch)가 필요하다. 고전적 광학 스위치와는 다르게 양자 네트워크에서는 큐비트의 결맞음(coherence)를 보존하는 스위치가 필요하다.

양자 키 분배 네트워크 (Quantum Key Distribution Networks)

현재 몇몇의 양자 네트워크들이 양자 키 분배작업의 용도로 사용되고 있다. 일부는 짧은 거리용이거나 원거리일 경우 신뢰할 수 있는 리피터(trusted repeater)를 사용하고 있다. 이들은 아직 노드 끝에서 끝까지 (end to end) 큐비트나 얽힘을 전송하지 못한다. 표 1.8‑1에 현재 주요 양자 네트워크와 적용할 수 있는 QKD 프로토콜이 요약 되어있다. DARPA 양자 네트워크는 2000년대 초반에 보안 통신(secure communication) 수행을 목표로 만들어졌다. 다중 물리 레이어(multiple physical layer)와 위상-조절 레이저(phase-modulated laser) 그리고 얽힌 광자를 이용한 프로토콜이다 (Elliot 2002). SECOCQ 네트워크는 2003년부터 2008년까지 보안 통신을 목적으로 유럽의 연구자들의 협업으로 만들어졌다. SECOCQ 네트워크는 원거리 통신을 위해 신뢰된 리피터(trusted repeater)와 점대점 양자 연결(point to point quantum link)를 이용한다 (Peev 2009). 중국의 Hierarchical 네트워크는 4개의 중추 네트워크로 구성되어있다. 중추 노드는 광학 스위칭 양자 라우터(optical switching quantum router)를 사용한다 (Xu 2009). 스위스 양자 네트워크는 2009년에서 2011년 사이에 개발되었다. CERN 과 제네바대학 그리고 HEPIA를 연결하는 네트워크이다. 스위스 양자 네트워크는 SECOCQ 네트워크에서 개발된 기술들의 신뢰도(reliability)와 견고성(robustness)의 향상에 초점을 맞추고 있다 (Stucki 2011). 도쿄 QKD 네트워크는 처음으로 1회용 난수표 암호화를 이용하여 실재 애플리케이션에 적용할 수 있을 만큼 높은 데이터 전송속도(data rate)를 구현했다 (Sasaki 2011).

표 ‑ 주요 양자 네트워크와 QKD 적용 현황.

Quantum Network	Start	BB84	BBM92	E91	DPS	COW
DARPA Quantum Network	2001	Yes	No	No	No	No
SECOCQ QKD Network in Vienna	2003	Yes	Yes	No	No	Yes
Tokyo QKD Network	2009	Yes	Yes	No	Yes	No
Hierarchical network in Wuhu, China	2009	Yes	No	No	No	No
Geneva area network	2010	Yes	No	No	No	Yes

참고 문헌

Kimble, H. J. (2008-06-19), "The quantum internet", Nature. 453 : 1023.

Caleffi, Marcello; Cacciapuoti, Angela Sara; Bianchi, Giuseppe (2018), Quantum Internet: from Communication to Distributed Computing!.

Van Meter, R. (2014), Quantum Networking, 127, John Wiley & Sons.

Gisson, Nicolas; Ribordy, Grégoire; Tittel, Wolfgang; Zbinden, Hugo (2002), "Quantum cryptography", Reviews of Modern Physics, 74(1) : 145.

Wootters, William; Zurek, Wojciech (1982). "A Single Quantum Cannot be Cloned", Nature, 299(5886) : 802. 

Bouwmeester, Dik; Pan, Jian-Wei; Mattle, Klaus; Eibl, Manfred; Weinfurter, Harald; Zeilinger, Anton (1997), "Experimental quantum teleportation", Nature, 390 (6660).

Elliot, Chip (2002), "Building the quantum network", New Journal of Physics, 4(1) : 46.

Peev, Momtchil; Pacher, Christoph; Alléaume, Romain; Barreiro, Claudio; Bouda, Jan; Boxleitner, W; Debuisschert, Thierry; Diamanti, Eleni; Dianati, M; Dynes, JF (2009), "The SECOQC quantum key distribution network in Vienna", New Journal of Physics, 11(7) : 075001.

Xu, FangXing; Chen, Wei; Wang, Shuang; Yin, ZhenQiang; Zhang, Yang; Liu, Yun; Zhou, Zheng; Zhao, YiBo; Li, HongWei; Liu, Dong (2009), "Field experiment on a robust hierarchical metropolitan quantum cryptography network", Chinese Science Bulletin, Springer, 54(17) : 2991, Springer.

Stucki, Damien; Legre, Matthieu; Buntschu, F; Clausen, B; Felber, Nadine; Gisin, Nicolas; Henzen, L; Junod, Pascal; Litzistorf, G; Monbaron, Patrick (2011), "Long-term performance of the SwissQuantum quantum key distribution network in a field environment". New Journal of Physics. IOP Publishing, 13(12) : 123001, IOP Publishing.

Sasaki, M; Fujiwara, M; Ishizuka, H; Klaus, W; Wakui, K; Takeoka, M; Miki, S; Yamashita, T; Wang, Z; Tanaka, A (2011), "Field test of quantum key distribution in the Tokyo QKD Network", Optics Express, 19(11) : 10387.