과학자들이 "불가능해 보였던" 지구-우주 양자 연결이 실현 가능하다는 것을 증명했습니다.

과학자들이 양자 위성 통신에 획기적인 변화를 가져왔습니다. 지구에서 위성으로 양자 얽힘을 전송하는 방식이 미래의 양자 인터넷을 구현할 수 있을 것으로 기대됩니다. (사진 제공: Shutterstock)

양자 위성은 궤도에서 지상 기지로 얽힌 빛 입자를 전송하는 것으로 가장 잘 알려져 있으며, 이는 매우 안전한 통신망을 구축하는 데 사용되는 방법입니다. 새로운 연구에 따르면 이 과정이 역방향으로도 가능하여 지구에서 위성으로 양자 신호를 전송할 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 이는 오랫동안 비현실적인 것으로 여겨져 온 접근 방식입니다.

이번 발견은 오늘날 양자 위성 시스템이 직면한 여러 주요 한계를 해소합니다. 지상 장비는 훨씬 더 많은 전력을 사용할 수 있고, 유지보수가 간편하며, 훨씬 더 강력한 신호를 생성할 수 있습니다. 이러한 장점은 위성을 중계기로 활용하여 양자 컴퓨터를 연결하는 미래 네트워크 구축에 매우 중요할 수 있습니다.

연구 세부 사항 및 최근 주요 성과

시드니 공과대학교(UTS)의 사이먼 데빗 교수, 알렉산더 솔른체프 교수 및 연구팀이 수행한 "업링크 위성 채널을 통한 양자 얽힘 분포"라는 제목의 연구가 최근 Physical Review Research 저널에 게재되었습니다.

양자 위성 통신은 이미 중요한 진전을 이루었습니다. 2016년에 발사된 중국의 미시우스 위성은 우주에서 양자 암호화된 데이터를 전송하는 최초의 사례를 보여주었습니다. 2025년에는 지난-1 초소형 위성이 중국과 남아프리카공화국 간 12,900km의 양자 연결을 구축함으로써 이 연구를 한 단계 더 발전시켰습니다.

업링크 양자 통신이 왜 기각되었는가?

"현재의 양자 위성은 우주에서 얽힌 양자 쌍을 생성한 다음, 그 쌍의 각 절반을 지구상의 두 곳으로 전송하는데, 이를 '다운링크'라고 합니다."라고 솔른체프 교수는 설명했습니다. "이 기술은 주로 암호화에 사용되는데, 비밀 키를 생성하는 데 필요한 광자(빛 입자)의 수가 매우 적기 때문입니다."

과학자들은 지구에서 얽힌 광자를 생성하여 위쪽으로 전송하는 반대 접근 방식을 대체로 무시했습니다. 이 아이디어는 빛이 대기를 통과하면서 발생하는 손실, 간섭 및 산란 때문에 비현실적인 것으로 여겨졌습니다.

"불가능한" 시나리오 모델링

"두 개의 단일 광자를 지구 상공 500km 궤도를 시속 약 2만km로 도는 위성으로 발사하여, 서로 완벽하게 만나 양자 간섭을 일으키도록 하는 것이 아이디어입니다. 과연 이것이 가능할까요?"라고 데빗 교수는 말했습니다.

연구진에 따르면, 정밀한 모델링 결과 답은 '예'라고 합니다. "놀랍게도, 우리의 모델링은 업링크가 실현 가능하다는 것을 보여주었습니다. 우리는 지구의 배경광, 달에서 반사되는 햇빛, 대기 효과, 광학 시스템의 불완전한 정렬과 같은 실제적인 영향을 포함시켰습니다."라고 그는 말했습니다.

확장 가능한 양자 인터넷을 향하여

연구팀은 드론이나 풍선에 탑재된 수신기를 이용해 이 아이디어를 곧 시험해 볼 수 있으며, 이를 통해 저궤도의 소형 위성을 활용해 국가와 대륙을 아우르는 대규모 양자 네트워크 구축을 위한 발판을 마련할 수 있을 것이라고 밝혔습니다.

"양자 인터넷은 현재 초기 단계에 있는 암호화 애플리케이션과는 완전히 다른 것입니다. 기본적인 메커니즘은 같지만, 양자 컴퓨터를 연결하려면 훨씬 더 많은 광자, 즉 더 많은 대역폭이 필요합니다."라고 데빗 교수는 말했습니다.

업링크 전략은 실용적인 해결책을 제시할 수 있습니다. "업링크 방식은 필요한 대역폭을 제공할 수 있습니다. 위성은 지상으로의 손실을 극복하고 고대역폭 양자 링크를 구현하기 위해 초당 수조 개의 광자를 생성하는 양자 하드웨어 대신, 들어오는 광자를 간섭시키고 결과를 보고하는 소형 광학 장치만 있으면 됩니다. 이는 비용과 크기를 줄이고 이 접근 방식을 더욱 실용적으로 만듭니다."

일상 속 인프라로서의 양자 얽힘

데빗 교수는 장기적인 비전을 현대 전기에 비유했습니다. "미래에는 양자 얽힘이 전기와 비슷해질 것입니다. 우리가 흔히 사용하는 필수품처럼 다른 기기에 전력을 공급하는 역할을 하죠. 전기는 사용자가 인지하지 못하는 방식으로 생성되고 전송됩니다. 우리는 그저 가전제품에 플러그를 꽂고 사용하면 되니까요. 궁극적으로 대규모 양자 얽힘 네트워크도 마찬가지일 것입니다. 양자 장치들이 얽힘 소스와 전원 모두에 연결되어 두 가지를 모두 활용해 유용한 작업을 수행할 수 있게 될 것입니다."라고 그는 말했습니다.

이 프로젝트는 UTS 공학 및 IT 학부와 자연과학 학부의 전문성을 결합하여 양자 네트워킹, 시스템 모델링 및 광자학 분야의 전문가들을 한데 모았습니다. 이는 UTS 내 학제 간 협력이 신기술 분야의 가장 까다로운 과제들을 해결하는 데 어떻게 도움이 되는지 보여줍니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/12/251217082515.htm