양자 인터넷을 구축하려면 얼마나 많은 위성이 필요합니까?

• 우주 기반 양자 인터넷은 양자 중계기의 지상 기반 네트워크를 훨씬 능가합니다.
• 글로벌 규모의 양자 인터넷을 구축하려면 1,900마일 고도에 400개 이상의 위성을 배치해야 합니다.

양자역학의 가장 유용한 응용은 양자키 분배를 통한 안전한 통신을 수행하는 능력이다. 많은 기술자들에게 꿈인 양자 인터넷은 양자 시계 동기화, 양자 순간 이동, 분산 양자 계측 및 감지를 비롯한 다른 양자 정보 처리 작업을 실행할 수 있게 해줍니다.

이는 양자 인터넷이 개인 메시지 및 계약에서 금융 거래에 이르기까지 모든 것을 보호할 수 있음을 의미합니다. 그리고 다가오는 양자 컴퓨터는 기존 암호화 알고리즘을 해독할 수 있기 때문에 이러한 보안이 필요하게 될 것입니다.

그러나 글로벌 규모의 양자 인터넷을 구축하는 것은 어려운 실험 과제입니다. 최근에 루이지애나 주립 대학의 연구원 팀이 가장 비용 효율적인 방법을 제시했습니다.

여기에는 얽힌 광자를 지상에 지속적으로 방송할 수 있는 양자 지원 위성의 집합체를 만드는 것이 포함됩니다. 이러한 접근 방식을 고려할 때 가장 기본적인 두 가지 질문이 발생합니다.

1) 지상 기반 양자 중계기 구성을 능가하는 글로벌 커버리지를 달성하려면 몇 개의 위성이 필요합니까?

2) 이 위성은 어느 고도에 배치해야 합니까?

첫 번째 배경

이러한 네트워크의 가장 중요한 특징은 양자 얽힘(quantum entanglement)으로, 두 개의 양자 입자가 멀리 떨어져 있어도 동일한 존재를 공유하는 현상입니다. 얽힌 입자는 연결된 상태로 유지되며 한 입자에서 수행된 작업이 다른 입자에 영향을 줍니다.

과학자들은 얽힘을 분산시키기 위해 주로 한 쌍의 광자(동일한 순간에 생성됨)를 사용합니다. 광자를 다른 위치로 보낼 때 광자의 얽힘을 활용하여 보안 메시지를 보낼 수 있습니다.

그러나 광자를 연결하는 얽힘은 매우 약하고 보존하기 어렵습니다. 광자와 주변 환경 사이의 작은 상호 작용으로도 연결이 끊어질 수 있습니다.

이것은 일반적으로 광섬유나 대기를 통해 얽힌 광자를 직접 전송하는 동안 발생합니다. 이 광자는 유리 또는 대기의 다른 원자와 상호 작용합니다. 기존 기술로는 얽힌 부분을 수백 마일만 공유할 수 있습니다.

양자 인터넷을 구축하는 방법은 무엇입니까?

두 가지 옵션이 있습니다. 첫 번째 옵션은 양자 특성이 도착하는 즉시 평가하고 전송되는 새로운 광자에 전송하는 양자 중계기라는 장치를 사용하는 것입니다. 얽힘을 보존할 수 있지만 이 기술은 오류가 발생하기 쉽고 구현하는 데 몇 년이 걸릴 수 있습니다.

두 번째 옵션은 공간에 얽힌 광자 쌍을 만들어 서로 다른 위치에 있는 두 개의 지상 스테이션으로 방송하는 것입니다. 방송국은 완벽한 비밀로 정보를 교환할 수 있습니다.

중국은 이미 우주 규모에서 양자 실험을 수행했습니다. 2016년에는 장거리 양자 광학 실험을 용이하게 하기 위해 Micius라는 위성을 발사했습니다.

이러한 위성 기반 시나리오에서 광자는 대기를 통과하는 여정의 마지막 13마일만 포함합니다. 따라서 위성이 지평선에 너무 가깝지 않은 경우 훨씬 더 멀리 이동할 수 있습니다.

참조:arXiv:1912.06678

연구원에 따르면 유사한 위성 네트워크(대규모로 구현되는 경우)는 보다 효율적인 글로벌 양자 인터넷을 생성할 수 있습니다. 정보를 안전하게 송수신하려면 두 스테이션이 위성에서 얽힌 광자를 수신할 수 있도록 두 개의 지상 기반 스테이션이 동일한 순간에 동일한 위성과 통신해야 합니다.

리소스 최소화

위성을 건설하고 발사하는 데 수백만 달러가 소요되기 때문에 커버리지를 손상시키지 않으면서 네트워크에서 위성 수를 가능한 한 적게 유지하는 것이 중요합니다.

연구원들은 그러한 네트워크를 모델링하고 고려해야 할 몇 가지 중요한 절충안이 있음을 발견했습니다. 예를 들어, 더 높은 고도에 배치된 더 적은 수의 위성은 전 세계적으로 커버할 수 있지만 더 큰 광자 손실을 초래할 수 있습니다. 반면 저고도의 위성은 지상 스테이션 간의 더 짧은 거리만 커버할 수 있습니다.

연구 팀에 따르면 최상의 타협은 1,900마일 고도에서 비행하는 약 400개의 위성 네트워크입니다. 이를 고려하여 GPS에는 12,500마일의 고도에서 작동하는 24개의 위성이 있습니다.

그러나 두 지상 기지 사이의 최대 거리는 여전히 4,700마일로 제한됩니다. 즉, 이러한 네트워크는 뉴욕과 런던(3,459마일 떨어져 있음) 간의 보안 통신을 지원할 수 있지만 휴스턴과 런던(4,846마일 떨어져 있음) 간의 보안 통신은 지원할 수 없습니다.

이러한 주요 결점에도 불구하고 우주 기반 양자 인터넷은 지상 기반 양자 중계기(120마일마다 하나의 중계기를 설치해야 함) 네트워크를 훨씬 능가합니다.

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우주 기반 양자 통신 플랫폼과 지상 기반 양자 중계기를 연결하는 하이브리드 네트워크는 이러한 비전을 현실로 만들 수 있습니다.