Special 국가전략산업 양자 기술 개발 동향 및 산업응용 전망(1)
양자기술 최신 동향과 발전 방향
박성수_연세대학교 양자정보학과 교수
1. 서론
양자기술은 주로 양자통신, 양자센서, 양자컴퓨터를 말하고 있는데, 그에 대한 조금 더 자세한 정의나 범위는 다음과 같다. 그 중, 2023-10-31에 제정되고 2024-11-01부터 시행된 「양자과학기술 및 양자산업 육성에 관한 법률」(양자기술산업법)[1]의 제2조(정의) ①항, 우리나라가 의장국인 국가 간 표준위원회인 IEC/ISO/JTC 3 Quantum technologies[2], 제2차 양자혁명을 처음 주장한 John Dowling의 논문[3] 및 2025년 유럽양자전략보고서[4]에서 다음과 같이 말하고 있다.
표 1. 양자기술의 정의 및 범위
| 양자기술의 정의 및 범위 |
양자기술산업법 제2조①항 | “양자과학기술”이란 양자(量子)역학적 특성에 기반하여 시스템을 만들거나 정보를 생성ㆍ제어ㆍ계측ㆍ전송ㆍ저장ㆍ처리하는 기술로서 양자암호, 양자통신, 양자센서, 양자소자, 양자컴퓨터, 양자시뮬레이터 등을 구현하기 위한 과학과 기술 일체를 말한다. |
JTC 3 scope(발췌) | The scope includes standardization in the field of quantum technologies, including quantum information technologies (quantum computing and quantum simulation), quantum metrology, quantum sources, quantum detectors, quantum communications, and fundamental quantum technologies. |
John Dowling | Quantum technology allows us to organise and control the components of a complex system governed by the laws of quantum physics. This is in contrast to conventional technology which can be understood within the framework of classical mechanics. |
Quantum Europe Strategy | Quantum technologies leverage the principles of quantum mechanics to perform tasks that are either impossible to solve or highly inefficient for traditional technologies. The main areas of quantum technologies include quantum computing and simulation, quantum sensing and quantum communication. |
따라서, 양자기술에서 3대 분야는 양자기술의 응용을 강조할 때를 말하고 있으나 대부분 모든 기술이 다 포함되고 있으므로 본 원고에서 3대 분야에 대한 기술적 동향 및 발전방향에 대해 다루고자 한다.
2. 양자통신
양자통신은 양자암호통신과 양자얽힘네트워크로 볼 수 있다. 양자암호통신은 1984년에 Charlse Bennet과 Gilles Brassard가 만든 BB84 프로토콜[5]로부터 시작된 양자키분배(Quantum Key Distribution)를 사용한 암호통신 방식을 말하는 것으로 양자우연성, 중첩, 복제불가 등의 기술을 사용한 초기의 양자암호키분배기술인 BB84프로토콜과 양자얽힘을 이용한 E91프로토콜 등이 있고 프로토콜의 분류체계는 표 2와 같다.
표 2. 양자암호키분배 프로토콜 분류 체계
Architecture | Protocol | Company |
DV-QKD, state prepare & measurement (SPM) | BB84 | SKT, IDQ |
B91 |
| |
COW | IDQ, SKT | |
T12(modified BB84) | Toshiba | |
DPS |
| |
DV-QKD, Entanglement Based (EB) | E91 |
|
BBM92: | Speqtral, QUBITEK | |
DV-QKD, Measurement Device Independent (MDI) | MDI |
|
Twin field | Toshiba | |
CV-QKD | GMCS(GG02) | SeQureNet, Huawei |
No-switching GMCS |
| |
DMCS |
|
양자암호통신이 상업적으로 이용되고 있는 정도로 발전한 반면 양자얽힘네트워크에서는 전세계가 이제 시작하는 단계이다. 양자컴퓨터나 양자센서는 아직 초기단계로써 수십~수백 개 정도의 적은 수와 불완전한 큐비트 성능을 보여주고 있다. 양자컴퓨터나 양자센서가 개별적으로 성능개선 노력에 의해서도 대규모 양자디바이스가 만들어지게 될 것이지만, 이들 간의 양자적 네트워크 연결을 통한 거대규모 양자디바이스 네트워크를 만들기 위한 수단으로써 양자얽힘네트워크에 대한 연구개발이 시작되었다. 이른바, 양자인터넷이 만들어지게 될 것으로 보인다. 이러한 점에서의 개념도는 (그림 1)[6]과 같다.
그림 1. 양자얽힘네트워크 또는 양자인터넷 개념도 [6]
양자통신은 기본적으로 통신관련 기술이므로 표준화가 절대적으로 필요한 분야이다. 양자암호통신관련하여 ETSI, ITU-T, JTC 1/SC 27 등 기존 SDO에서 추진 중으로서 전체적인 관계는 그림 2에 표시하였다.
⋅ ISO/IEC JTC1 SC27에서는 보안기술 관련하여 소프트웨어시스템과 시스템 공학이라는 주제로 study group으로 연구하여 양자키분배 보안 요구사항, 시험 및 평가방법 등 2개의 표준이 개발되었다.
⋅ 유럽전기통신표준협회 (ETSI)에서는 양자키분배 관련 양자암호화소자 및 장비 관련 9개의 그룹 규격으로 국제표준화 활동을 추진하며 산업체 규격 개발되었다.
⋅ ITU-T는 양자키분배와 관련된 ITU-T에서는 SG13과 SG17에서 양자키분배 시스템으로 실제 네트워크를 구성하고 사용하는 부분에 있어서 필요한 부분을 중심으로 표준화를 진행 중이다. (ITU-T) 미래네트워크(SG13), 정보보호(SG17)에서 양자키분배 관련 네트워크 및 보안 표준화를 개발 중이다. SG13에서는 양자키 분배망 프레임워크 연구반 승인(Consent), (SG17)‘양자키 분배망 양자키 분배망 네트워크 보안 요구사항(개요, 키 관리, 암호 기능 사용) 등 신규 아이템 3건이 승인되었다.
⋅ 양자통신을 포함한 양자기술 전반에 대해서는 국가 간 표준으로써는 2024년 5월 발족된 IEC/ISO/JTC 3에서 추진 중이며 유럽국가 간 표준으로는 2024년 3월 발족된 CEN/CENELEC/JTC 22에서 추진 중에 있다. 특히, JTC 3는 한국이 주도적으로 설립하였고 이에 따라 의장국은 한국으로 되어 있다.
그림 2. 양자통신관련 표준화 기구 현황
-----이하 생략
<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2025년 8월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>
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