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중국이 세계에서 처음으로 양자실험을 우주에서 수행하고자 위성을 발사할 예정이다. 중국과 오스트리아가 공동으로 참가하는 미화 1억불의 이 프로젝트는, 세상 어디에서나 사람들을 연결하는 안전한 통신 방식을 창조하게 될 것이라는 기대를 실현하고자, 600kg의 무게의 위성을 올해 8월에 발사할 예정이다. 프로젝트에 참가하는 Hefei 과학기술대학의 Chaoyang Lu박사(해외과학기술동향 401번 참조)는 이러한 양자 통신 연구를 위한 국제적 경쟁이 시작되었다고 말한다. 중국의 뒤를 이어, 캐나다, 일본, 이태리, 싱가폴의 연구진들이 양자 우주 실험을 할 계획이다. 이를 통해 양자를 통한 통신의 실현을 위해 여러 가지 기술의 개발이 뒤따를 것이다. 양자를 통한 통신은 양자의 상태를 통해 이루어지기 때문에 안전한 통신 방식이 될 전망이다. 왜냐하면 양자의 상태를 건드리려는 시도는 들통이 나기 때문이다. 광섬유나 공기를 통해 광자를 전달하면 분산되거나 흡수가 된다. 따라서 광자의 양자 상태를 보존하면서 신호를 증폭하는 것은 어렵다. 중국과학자들은 우주에서 광자를 전달하면 더 멀리 통신할 것으로 예상하고 있다. 지금까지의 기록은 스위스의 과학자들이 300km떨어진 곳에서 양자 통신에 성공했다(Korzh et al., Nature Photonics , 9 , 163 ndash;168 (2015)). 중국 위성 기술의 핵심은 아무리 멀리 떨어져 있어도 그 성질이 서로 얽힘 상태를 유지하는 얽힘 광자를 만들어내는 결정(crystal)이다. 중국과 오스트리아 과학자들은 북경과 비엔나의 지상 센터에서 신호를 발사하여 반대편에서 비밀번호를 재생해 내고자 한다. 2년 동안의 임무를 통해서 연구 팀은 Bell test라 불리는 통계적인 측정을 할 예정인데 이를 통해 양자 얽힘 현상이 1200km 거리 떨어진 입자들간에 존재한다는 것을 입증하고 한다. 양자 이론에 의하면 이러한 얽힘 현상이 어떤 거리에서도 가능하지만 Bell test를 통해 증명하게 될 것이다. 또한 중국-오스트리아 공동 연구팀은 양자 상태를 원거리로 전달하는 ( lsquo;teleport rsquo;)하는 실험을 할 것이다. 전통적인 방식에 의해서 전달되는 정보와 함께 얽힌 광자의 쌍을 다른 위치에서 재생하는 시도도 하게 될 것이다. 첫 위성이 성공한다면, 위성을 더 추가로 발사할 것이라고 Lu는 말한다. 안전한 통신을 위해서는 20개의 위성이 추가로 필요할 것으로 보고 있다. 다른 나라들은 좀 다른 방식으로 양자 통신을 추진하고 있다. 싱가폴 국립대학과 영국의Strathclyde대학은 공동으로 값이 싼(10만불) 5kg무게의 위성을 이용한다. 캐나다 팀은 얽힌 광자 쌍을 지상에서 만든 뒤에 30kg 이하의 무게를 가진 소위성에 전달하는 방식을 취하는데, 얽힌 광자 쌍을 지상에서 만들기 때문에 더 값이 쌀 것이라고 연구자들은 생각하고 있다. 그러나 움직이는 위성에 광자를 쏘는 방법이 해결해야 할 문제이다. 먼저 비행기에서 광자를 수신할 수 있을지 시험할 예정이다. 더 싼 방법이 이태리의 과학자들에 의해 추진 중인데 위성에 반사체를 추가하여 보통 위성을 이용하는 방법이다. 지난 해 이태리 연구팀은 현존하는 위성으로부터 광자를 받아서 에러가 충분히 낮은 상태에서 암호를 해독하는 것이 가능함을 보여주었다. 또한 미국의 연구자들은 국제 우주 정거장 (ISS)를 통해 양자 통신과 양자 컴퓨터, 양자 클라우드 계산을 통해 lsquo;양자 인터넷 rsquo;이 가능하도록 하는 계획을 제출하였다. 그러나 도전적인 문제들도 남아 있다; 위성들이 직접 통신하는 방법을 찾아야 하며, 다른 소스로부터 오는 광자들을 얽히게 할 수 있는 방법을 완성하고, 단일 광자들을 이용하여 데이터 전송을 할 때 전송 속도를 초당 메가 바이트에서 기가바이트로 증가시켜야 한다. 중국팀이 성공한다면 다른 연구팀들은 연구비를 지원받기 더 쉽게 될 것이다. 미국이 이 분야에 있어서 아직 비교적 뒤져 있다고 볼 수 있다. 그러나 어떤 과학자들은 미국이 비밀로 부쳐진 이 분야에서 더 많은 연구를 진행하고 있을수도 있다고 보고 있다. 결국 우주에서의 양자 통신은 위성으로부터의 광자를 결합하여 렌즈의 구경이 마치 지구만한 망원경을 만들게 함으로써, 매우 뛰어난 분해능을 갖도록 할 것으로 기대하고 있다. 그렇게 되면 행성들을 볼 수 있을 뿐 아니라 이론적으로는 목성의 위성에 있는 차들의 번호판도 읽을 수 있다고 과학자들은 말한다. 출처 : Nature, 2016, Vol. 534, pp.478-479 |
