전 세계 양자 인터넷 구축에 필요한 위성 수

우주 기반 양자 인터넷, 지상 네트워크보다 월등한 성능

우주 기반 양자 인터넷은 양자 중계기 기반의 지상 네트워크보다 훨씬 뛰어난 성능을 제공할 것으로 예상됩니다. 최근 루이지애나 주립대 연구팀은 전 지구 규모의 양자 인터넷을 구축하는 가장 비용 효율적인 방법을 발표했습니다.

양자 인터넷이 중요한 이유

양자 역학의 가장 유용한 응용은 양자 키 분배를 통한 안전한 통신입니다. 많은 기술자들의 꿈인 양자 인터넷은 양자 시계 동기화, 양자 텔레포테이션, 분산 양자 계측 및 센싱 등 다양한 양자 정보 처리 작업을 가능하게 합니다.

이는 개인 메시지, 계약, 금융 거래 등 모든 것을 보호할 수 있음을 의미합니다. 앞으로 양자 컴퓨터가 기존 암호화 알고리즘을 깨뜨릴 수 있게 되면서, 이러한 보안은 필수적이 될 것입니다.

전 지구 규모 양자 인터넷 구축의 과제

하지만 전 지구 규모의 양자 인터넷을 구축하는 것은 어려운 실험적 과제입니다. 연구팀은 양자 기능이 탑재된 위성 군집을 만들어 지속적으로 얽힌 광자를 지상으로 전송하는 방식을 제안했습니다. 이 접근법에서 가장 기본적인 두 가지 질문이 제기됩니다:

1. 지상 기반 양자 중계기 구성을 능가하는 전 지구적 커버리지를 달성하려면 몇 개의 위성이 필요한가?
2. 이 위성들은 어느 고도에 배치해야 하는가?

배경: 양자 얽힘의 취약성

이러한 네트워크의 가장 중요한 특징은 양자 얽힘입니다. 이는 두 양자 입자가 멀리 떨어져 있어도 같은 존재를 공유하는 현상으로, 한 입자에 수행된 행동이 다른 입자에 즉각 영향을 미칩니다.

과학자들은 주로 동시에 생성된 광자 쌍을 이용해 얽힘을 분배합니다. 광자를 서로 다른 위치로 보내면, 그 얽힘을 이용해 안전한 메시지를 전송할 수 있습니다.

그러나 광자를 연결하는 얽힘은 극도로 취약하고 보존하기 어렵습니다. 광자와 환경 사이의 미세한 상호작용만으로도 연결이 끊어질 수 있습니다. 기존 기술로는 얽힘을 수백 마일 정도만 공유할 수 있습니다.

양자 인터넷 구축의 두 가지 옵션

옵션 1: 양자 중계기 - 도착한 양자 특성을 평가하고 새로운 광자에 전달하는 장치를 사용하는 방식입니다. 얽힘을 보존할 수 있지만 오류가 발생하기 쉽고 구현에 수년이 걸릴 수 있습니다.

옵션 2: 우주 기반 광자 분배 - 우주에서 얽힌 광자 쌍을 생성해 서로 다른 두 지상국으로 전송하는 방식입니다. 두 지상국은 완벽한 비밀성을 유지하며 정보를 교환할 수 있습니다.

중국은 이미 2016년 '무쯔(墨子)' 위성을 발사해 장거리 양자 광학 실험을 수행한 바 있습니다. 위성 기반 시나리오에서 광자는 대기권에서 마지막 13마일(약 21km)만 통과하면 되므로 훨씬 멀리까지 전송할 수 있습니다.

자원 최소화: 최적의 위성 구성

위성 제작과 발사에는 수백만 달러가 들기 때문에, 커버리지를 해치지 않으면서 위성 수를 최소화하는 것이 중요합니다. 연구팀은 모델링을 통해 중요한 트레이드오프를 발견했습니다.

• 적은 수의 위성을 높은 고도에 배치하면 전 지구적 커버리지가 가능하지만 광자 손실이 커집니다.
• 낮은 고도의 위성은 지상국 간 짧은 거리만 커버할 수 있습니다.

최적의 타협안은 약 400개의 위성을 1,900마일(약 3,058km) 고도에 배치하는 것입니다. 참고로 GPS는 12,500마일(약 20,117km) 고도에서 24개 위성으로 운영됩니다.

한계와 전망

이 구성에서도 두 지상국 간 최대 거리는 4,700마일(약 7,564km)로 제한됩니다. 뉴욕-런던(3,459마일)은 가능하지만 휴스턴-런던(4,846마일)은 불가능합니다.

이러한 단점에도 불구하고, 우주 기반 양자 인터넷은 지상 기반 양자 중계기 네트워크(120마일마다 중계기 설치 필요)보다 월등히 뛰어납니다. 향후 우주 기반 양자 통신 플랫폼과 지상 기반 양자 중계기를 결합한 하이브리드 네트워크가 이 비전을 현실화할 것으로 기대됩니다.