양자 네트워크 (Quantum Network)

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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.[1][2] 통신에 주는 이점은 국소적인 양자 네트워크들의 연결을 통해 멀리 떨어진 여러 양자 프로세서들간의 양자 정보 교환을 가능하게 해준다. 이런 양자 인터넷의 구축은 수많은 애플리케이션들을 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.[3] 양자 논리 게이트를 실행할 수 있는 종점 노드로는 다이아몬드의 질소 공공 결함 NV center(Nitrogen-Vacancy center) 또는 이온 트랩 (Ion Trap)으로 주로 구현된다.[3] 둘째로 큐비트들이 노드에서 노드로 전달하는 통신 회선이 필요하다. 주로 광손실이 상대적으로 작은 광통신용 섬유를 통신파장대역 양자광원으로 연결하는 것으로 구성된다. 다른 방법으로는 대기나 진공을 통한 자유공간 네트워킹이 제안된 바 있다.[4] 셋째로 원거리 통신에서 일어날 수 있는 신호 잃음이나 결잃음을 막기 위해 중계기가 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.[5] 따라서 양자 중계기는 얽힘과 양자 전송(quantum teleportation)을 이용하여 물리적으로 큐비트를 보내지 않고 큐비트의 정보를 노드 끝에서 끝으로 전송한다.[6] 마지막으로 네트워크를 좀 더 효율적으로 사용하기 위해서 광 스위치가 필요하다. 고전적 광 스위치와는 다르게 양자 네트워크에서는 큐비트의 결맞음를 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 신뢰중계기를 사용하고 있다. 이들은 아직 노드 끝에서 끝까지 큐비트나 얽힘을 전송하지 못한다. 표 1에 현재 주요 양자 네트워크와 적용할 수 있는 QKD 프로토콜이 요약 되어있다. DARPA 양자 네트워크는 2000년대 초반에 보안 통신 수행을 목표로 만들어졌다. 다층 물리 계층와 위상 변조 레이저 그리고 얽힘 광자를 이용한 프로토콜이다.[7] SECOCQ 네트워크는 2003년부터 2008년까지 보안 통신을 목적으로 유럽의 연구자들의 협업으로 만들어졌다. SECOCQ 네트워크는 원거리 통신을 위해 신뢰 중계기와 점대점 양자 연결(point to point quantum link)를 이용한다.[8] 중국의 계층적 네트워크는 4개의 중추 네트워크로 구성되어있다. 중추 노드는 광학 스위치 양자 라우터(optical switching quantum router)를 사용한다.[9] 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.[10] 도쿄 QKD 네트워크는 처음으로 1회용 난수표 암호화를 이용하여 실재 애플리케이션에 적용할 수 있을 만큼 높은 데이터 전송속도를 구현했다.[11]

표 1. 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

  1. ↑ H. J. Kimble, The quantum internet, Nature 453, 1023 (2008) doi:10.1038/nature07127.
  2. ↑ C. Marcello, C. Angela Sara and B. Giuseppe, Quantum Internet: from Communication to Distributed Computing!.inProceedings of NANOCOM 18 (2018).doi:10.1145/3233188.3233224.
  3. ↑ 3.0 3.1 R. Van Meter, Quantum Networking, Quantum Networking 1 (2014) doi:10.1002/9781118648919.
  4. ↑ G. Nicolas, R. Grégoire, T. Wolfgang, and Z. Hugo, Quantum cryptography, Reviews of Modern Physics 74, 145 (2002). doi:10.1103/RevModPhys.74.145
  5. ↑ W. Wootters, W. Zurek, A Single Quantum Cannot be Cloned, Nature 299 802 (1982). doi:10.1038/299802a0
  6. ↑ D. Bouwmeester, J. W. Pan, K. Mattle, M. Eibl, H. Weinfurter, and A. Zeilinger, Experimental quantum teleportation, Nature 390, 575 (1997). doi:10.1038/37539
  7. ↑ C. Elliot, Building the quantum network, New Journal of Physics 4, 46 (2002). doi:10.1088/1367-2630/4/1/346.
  8. ↑ M. Peev et al., The SECOQC quantum key distribution network in Vienna, New Journal of Physics 11, 075001 (2009). doi:10.1088/1367-2630/11/7/075001.
  9. ↑ X. FangXing et al., Field experiment on a robust hierarchical metropolitan quantum cryptography network, Chinese Science Bulletin 54 (2009). doi:10.1007/s11434-009-0526-3.
  10. ↑ D. Stucki, M. Legre, F. Buntschu, B. Clausen, N. Felber, N. Gisin, L. Henzen, P. Junod, G. Litzistorf, and P. Monbaron, Long-term performance of the SwissQuantum quantum key distribution network in a field environment, New Journal of Physics 13, 123001 (2012), doi:10.1088/1367-2630/13/12/123001.
  11. ↑ M. Sasaki, M. Fujiwara, H. Ishizuka, W. Klaus, K. Wakui, M. Takeoka, S. Miki, T. Yamashita, Z. Wang, and A. Tanaka, Field test of quantum key distribution in the Tokyo QKD Network, Optics Express 19, 10387 (2011). doi:10.1364/OE.19.010387.
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