공상과학 영화의 단골 소재였던 '양자 순간이동'과 이를 바탕으로 한 '양자 통신망'이 현실로 다가오고 있다. 

최근 미국 연구진들이 양자 입자를 기존 상용 통신망을 통해 장거리 전송하는 데 성공하고, 실제 캠퍼스 사이 양자 통신망을 구축하는 등 눈에 띄는 성과를 잇따라 발표하며 차세대 정보통신 혁명의 시작을 알리고 있다. 

이들 연구는 미래 통신 보안을 크게 높이고, 상상하기 어려웠던 초고성능 컴퓨터 활용과 자료 전송을 가능하게 할 양자 통신망 시대로 가는 중요한 길잡이가 될 것으로 기대를 모은다.

'양자 얽힘'으로 29km 전송…공용망 순간이동 시대 열다

먼저, 미국 노스웨스턴 대학교 맥코믹 공과대학 연구팀은 2024년 12월 과학 학술지 '옵티카(Optica)'에 약 18마일(약 29km)에 이르는 공용 인터넷 기반 시설을 통해 양자 입자를 순간이동시키는 데 성공했다고 발표했다. 이는 30년에 걸친 연구의 결실이며, 양자 순간이동이 실험실 수준을 넘어 실제 사용 중인 인터넷 자료 채널을 통해 이뤄진 첫 사례라는 점에서 큰 의미가 있다.

양자 순간이동의 핵심 원리는 '양자 얽힘'이다. 1930년대 알베르트 아인슈타인이 처음 그 개념을 제시한 양자 얽힘은 멀리 떨어진 두 입자가 마치 보이지 않는 끈으로 연결된 것처럼 서로 작용하는 아원자 세계의 기이한 현상이다. 한 입자의 양자 상태(위치, 방향 등)가 결정되면, 아무리 멀리 떨어져 있어도 다른 쪽 얽힌 입자의 상태가 즉시 똑같이 결정된다. 이때 정보가 전송되는 순간, 원본 입자는 사라지고 다른 곳에 완벽한 물리적 복제품이 생긴다. 이 원리를 큰 규모로 넓히면 상품이나 사람까지도 순간이동시킬 수 있다는 이론적 바탕이 된다.

1997년 첫 양자 순간이동 실험 성공 뒤 여러 연구가 진행됐지만, 양자 정보는 매우 취약해 외부 파형이나 자기장 등 미세한 흔들림에도 신호가 쉽게 약해지거나 '결어긋남(decoherence)' 현상으로 양자적 특성을 잃는 한계가 있었다. 이 때문에 이전까지 성공 사례는 대부분 독립된 전용 광섬유 채널을 통해서만 이뤄졌다. 연구팀은 "기존 통신망은 수많은 자료가 오가는 혼잡한 고속도로와 같아, 약한 양자 신호가 그 속에서 결맞음을 유지하며 전송되기는 거의 불가능하다고 여겼다"고 설명했다.

노스웨스턴 연구팀은 이 어려운 문제를 해결하려고 빛이 물질을 통과할 때 생기는 '빛 흩어짐' 현상을 제어하는 독창적인 방법을 생각해냈다. 특정 조건을 설정해 광자(빛의 입자)를 쏘아, 신호가 움직이는 길을 최소화하고 외부 간섭을 줄이는 데 성공했다. 이 방법으로 연구팀은 최대 400기가비트에 이르는 일반 인터넷 통행량 속에서도 양자 입자의 결맞음을 유지하며 정보를 전송할 수 있음을 증명했다. 이 성과는 양자 자료를 전송하려고 값비싼 전용 기반 시설을 새로 만들 필요 없이 기존 통신망을 활용할 수 있다는 가능성을 보여, 양자 통신망 상용화의 가장 큰 걸림돌 하나를 해결했다는 평가다.

단일 광자·칩 기술로 캠퍼스 연결…'RoQNET' 통신망 구축

다음으로, 미국 로체스터 대학교와 로체스터 공과대학교(RIT) 공동 연구팀은 최근 두 캠퍼스를 잇는 약 11마일(약 17.7km) 거리의 실험용 양자 통신망 'RoQNET(Rochester Quantum Network)'을 성공적으로 구축하고, 그 결과를 국제 학술지 '옵티카 퀀텀(Optica Quantum)'에 발표했다. 이 통신망은 보통 온도에서 빛 알갱이 하나하나를 이용해 광섬유 선을 따라 정보를 보내는 방식으로 구현했다.

양자 통신은 정보를 양자 비트, 곧 '큐비트(qubit)'에 담아 보낸다. 큐비트는 한번 보면 상태가 바뀌는 양자적 특성 때문에 다른 사람이 중간에 정보를 가로채려 하면 바로 드러난다. 따라서 이론적으로 복제나 도청이 불가능한, 궁극의 보안 통신을 이룰 수 있다. 큐비트는 원자, 초전도체, 다이아몬드 결함 등 여러 방식으로 만들 수 있지만, 먼 거리 통신에는 빛의 입자인 광자가 가장 알맞은 수단으로 꼽힌다.

RoQNET 사업의 핵심 기술은 빛 알갱이 집적 회로(PICs)다. 연구팀은 고비선형 결정과 광섬유 배열 장치를 합친 빛 알갱이 칩을 개발해, 여기서 만든 '가시광선-통신 파장대역 얽힘 빛 알갱이 쌍'을 질화규소와 실리콘 바탕 빛 알갱이 집적 회로로 처리해 양자 정보를 보낸다. 가시광선 빛 알갱이는 작은 단일 광자 눈사태 다이오드(SPAD)로 효율 높게 찾아낼 수 있고, 통신 파장대역 빛 알갱이는 기존 광섬유에서 손실이 적어 먼 거리 전송에 유리하다.

로체스터 대학교의 니컬러스 바미바카스 교수는 "RoQNET은 통신을 보호하고 분산 컴퓨터 활용과 영상화에 대한 새로운 길을 열 양자 통신망을 만드는 흥미로운 단계"라며 "특히 양자 빛 생성과 고체 바탕 양자 기억 매듭(노드)을 위해 집적 양자 빛 알갱이 칩을 쓴다는 점에서 다른 실험용 양자 통신망과 다르다"고 강조했다.

현재 광섬유를 이용한 양자 통신 연구는 부피가 크고 값비싼 초전도 나노선 단일 광자 검출기(SNSPD)에 기대는 때가 많지만, 연구팀은 이러한 장벽을 넘어서려고 기술 개발에도 힘쓰고 있다. RIT의 스테판 프레블 교수는 "빛 알갱이는 빛의 속도로 움직이며 넓은 파장 범위를 통해 여러 종류 큐비트와 통신할 수 있다"면서 "RoQNET은 분산 양자 얽힘을 구현하기 위한 중요한 시험대"라고 밝혔다. 연구팀은 앞으로 RoQNET을 브룩헤이븐 국립 연구소, 스토니브룩 대학교, 공군 연구소, 뉴욕 대학교 등 뉴욕주 안 다른 연구 시설과 잇는 것을 목표로 한다.

궁극의 보안과 초고속 연산…양자 인터넷이 가져올 미래

이들 연구 성과는 '양자 통신망'이라는 궁극 목표를 향한 중요한 진일보로 평가된다. 양자 통신망이 이루어진다면, 현재 우리가 쓰는 인터넷과 견주어 그 성능과 가능성은 "일반 인터넷과 옛날 봉화의 차이만큼이나 클 것"이라고 전문가들은 내다본다.

양자 통신망은 우리가 아직 생각조차 하지 못하는 강력한 응용 프로그램을 가능하게 할 것으로 기대된다. 대표적으로 풀 수 없는 수준의 매우 강력한 암호 기술, 기하급수적으로 더 빠르고 정확하게 배우는 인공지능(AI), 그리고 현재 기술로는 분석이 불가능한 온 세상 날씨 변화나 복잡한 금융 체계 등을 정확하게 모형으로 만들고 내다보는 수단 등을 마련해 줄 것으로 보인다.

기존 통신망 활용 기대…상용화 향한 중요 이정표

오늘날 인터넷이 널리 흩어진 매듭(노드)과 전송 체계(공중파, 바닷속 케이블, 광섬유 등)로 정보를 주고받듯이, 양자 통신망 역시 비슷한 연결망 구조를 갖출 것이다. 지난날에는 양자 정보를 기존 자료 기반 시설과 함께 보내기가 불가능하다고 여겼지만, 노스웨스턴 대학 연구는 이 문제 해결의 실마리를 마련했다. 덕분에 양자 통신망 시대로 나아가기 위해 완전히 새로운 전선, 탑, 노드 체계를 만드는 데 드는 막대한 비용과 시간을 아낄 수 있게 됐다.

두 연구팀 성과는 저마다 다른 길을 따르지만, 궁극으로는 양자 정보를 더 안정적이고 효율적으로 보내 실용적인 양자 연결망과 양자 통신망을 만들려는 공동 목표를 향한다. 공상과학 영화 속에서나 가능했던 순간이동과 초지능형 연결망이 차츰 현실의 문을 두드리고 있다. 이러한 현실화는 단순한 기술 발전을 넘어, 인류의 소통 방식과 정보 처리 능력에 근본적인 변화를 가져올 '미래 통신망을 향한 거대한 도약'으로 기록될 전망이다.