IP를 통해 전송된 양자 신호, 실험실 외부의 실제 상업용 광섬유에서 노이즈를 극복하다
펜실베이니아 대학교 엔지니어들이 실제 광섬유 케이블을 통해 일반 인터넷 연결로 양자 신호를 성공적으로 전송했습니다. 이 연구진은 기존 인터넷 시스템을 활용하여 양자 인터넷을 이론적인 단계에서 실현 단계로 옮겼으며, 그 결과를 학술지 《사이언스(Science)》에 발표했습니다.
양자 신호는 본래 매우 약한 특성 때문에, 측정하는 과정에서 양자 얽힘 상태를 잃거나 노이즈가 과도하게 발생하면 판독이 불가능합니다. 하지만 엔지니어들은 이러한 양자 신호를 표준 IP 신호가 이용하는 것과 동일한 혼잡한 인터넷 인프라 위에서 전송하는 데 성공했습니다.
이러한 전송은 펜실베이니아 대학교가 개발한, 전통 신호와 양자 신호를 인터넷에서 조율하는 실리콘 칩인 "Q-Chip" 덕분에 가능했습니다. Q-Chip은 'Photonics에 의한 Quantum-Classical Hybrid Internet'의 약자로, 일반 신호와 양자 신호를 하나로 패키지화하여 도시의 광섬유 인터넷 회선을 따라 성공적으로 전송할 수 있습니다. 이 칩은 연결된 신호들을 송수신할 수 있으며, 양자 연결 신호를 직접 측정하지 않으면서 자동으로 노이즈를 보정하는 기능을 갖추고 있습니다.
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양자 컴퓨팅은 전통적인 컴퓨팅과는 완전히 다른 영역입니다. 일반 컴퓨터는 트랜지스터, 비트, 전자를 사용하여 0과 1, 즉 켜짐(on)과 꺼짐(off)의 상태로 연산을 수행하지만, 양자 컴퓨팅은 완전히 다른 원리에서 출발합니다. 양자 컴퓨터는 큐비트(qubits)를 활용하여 양자 얽힘 현상을 이용하며, 이를 통해 큐비트는 0과 1, 그리고 이 두 상태가 가질 수 있는 수많은 변형 중 어떤 상태든 표현할 수 있게 됩니다.
그러나 양자 얽힘은 다루기 까다롭습니다. 양자 신호는 측정되는 순간 그 양자적 특성을 잃기 때문입니다. 슈뢰딩거의 사고실험처럼, 방사성 동위원소와 함께 밀폐된 상자에 놓인 고양이는 상자를 열고 관찰하기 전까지는 살아 있는지 죽었는지 확정할 수 없습니다. 마찬가지로 양자 입자는 관찰될 때까지는 중첩 상태(0도 1도 아닌 상태)로 존재하다가, 관찰되는 순간 양자 관계가 무너져 실질적으로 0 또는 1로 확정됩니다. 이러한 특성 때문에 양자 신호를 인터넷 연결망을 통해 전송하는 것이 매우 어렵습니다.
이 프로젝트의 박사 과정 학생이자 Phys.org 인터뷰 대상자인 로버트 브로버그(Robert Broberg)는 "일반 네트워크는 데이터를 최종 목적지까지 안내하기 위해 데이터를 측정합니다"라며, "순수 양자 네트워크에서는 그럴 수 없는데, 입자를 측정하는 행위 자체가 양자 상태를 파괴하기 때문입니다"라고 설명했습니다.
이 문제를 해결하기 위해 Q-Chip은 양자 신호를 빛 기반의 표준 인터넷 신호와 기차처럼 하나의 조합으로 묶습니다. 이때 표준 인터넷 신호가 라우팅을 위한 엔진 역할을 하고, 양자 신호는 마치 화물처럼 그 옆을 따라 이동합니다. 이 과정에서 신호의 양 끝단 어느 곳에서도 양자 신호가 측정되지 않습니다. 또한 이 구조는 노이즈 보정에도 사용됩니다. 송신 측과 수신 측의 Q-Chip이 표준 신호가 무엇이어야 하는지 알기 때문에, 빛 기반 신호의 오류를 수정하고 이를 바탕으로 양자 신호가 어떻게 보정되어야 할지 추론할 수 있습니다.
논문의 수석 저자인 량 펑(Liang Feng)은 "통합 칩이 버라이즌(Verizon)과 같은 실제 상용 네트워크에서 양자 신호를 관리할 수 있으며, 심지어 기존 클래식 인터넷이 사용하는 것과 동일한 프로토콜을 이용해 구현할 수 있음을 입증한 것은, 대규모 실험과 실용적인 양자 인터넷을 향한 중요한 단계입니다"라고 밝혔습니다.
Q-Chip 시스템은 대학이 위치한 필라델피아의 버라이즌 광섬유 네트워크 전 지역, 그리고 다른 대도시 지역의 인터넷 인프라 어느 곳에서든 이론적으로 작동할 수 있습니다. 다만, 도시 간 또는 그 이상의 장거리에서 양자 인터넷 연결을 성공적으로 구현하려면 양자 신호를 반복 전송하는 추가적인 연구가 여전히 필요합니다.
양자 컴퓨팅이 현실 세계에서 중요성과 유용성을 갖추며 전진함에 따라, 기존 인터넷 인프라를 통해 양자 신호를 전송할 수 있게 한 이 연구는 매우 중요한 진전입니다. 양자 기술의 미래는 여전히 불확실하지만, 정부와 기업들 모두가 실생활 응용 분야에서 이를 구현하는 선두 주자가 되기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다.
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