[ANL] 양자 인터넷의 이해

 

(1) 양자정보통신의 소개

 

∙ 전자기학이 정보 및 컴퓨팅 이론을 거쳐 현재의 정보기술 산업을 완성하였듯이, 양자 이론은 양자 정보 및 양자 컴퓨팅을 거쳐 미래 정보기술에 기여할 것이다.

 

∙ 양자정보통신은 양자 이론의 원리에 기반한 정보 기술이다.

 

∙ 양자 이론은 기존의 물리학 이론이 설명하지 못하는 물리 현상을 설명하기 위해 고 안되었고 수많은 실험의 검증을 거쳐왔다.

 

∙ 양자 이론을 통해 기존의 물리학 이론이 설명하지 못하는 현상을 설명할 수 있게 되는 것처럼, 양자정보통신을 통해 기존 기술이 구현할 수 없었던 수준의 더 높은 역량의 정보처리 기술을 구현할 것이다.

 

 

(2) 양자정보처리의 원리

 

∙ 양자 이론은 양자 상태, 양자 다이내믹스, 측정, 관측 가능량으로 구성된다.

 

∙ 큐비트는 양자정보처리의 단위이다. 비트에서 큐비트로의 변환은 양자 상태 준비 과정이다. 양자 측정은 큐비트에서 비트로의 변환에 해당한다.

 

∙ 양자 컴퓨팅은 양자 다이내믹스에 기반하여 양자 상태의 변환을 통해 구현된다. 양자 통신은 큐비트를 주고 받는 과정이다.

 

∙ 양자정보처리는 기존 정보처리 대비 더 빠른 컴퓨팅, 더 높은 수준의 보안성을 지닌 암호, 더 효율적인 통신을 구현할 수 있다.

 

 

(3) 양자정보기술의 로드맵

 

∙ 양자 컴퓨팅은 큐비트에 준비된 양자 상태의 변환 과정을 컴퓨팅 과정에 응용한다. 양자 상태 변환은 다음의 세가지 방법으로 구현 가능하다: 개별 큐비트의 조작, 양자 단열-변화, 다체계 얽힘 상태 생성 및 측정. 먼저, 개별 큐비트 조작은 양자 회로로 표현할 수 있다. 또한, 단열-변화 컴퓨팅, 얽힘을 활용한 측정-기반 양자 컴퓨팅의 방법이 있다. 이 세 방법은 컴퓨팅 관점에서 동등하다. 즉, 하나의 양자 알고리즘을 각 모델에서 동등한 계산복잡도로 구현할 수 있다. 구현 관점에서 세 방법은 각기 특징이 있다. 단열-변화 컴퓨팅과 측정-기반 양자 컴퓨팅에서 개별 큐비트 조작을 우회하여 양자 컴퓨팅을 수행할 수 있다.

 

∙ 양자오류정정은 양자 회로의 큐비트 조작에서 잡음을 제거하는 기법이며, 현재의 양자 기술 (NISQ 기술)로 구현할 수 없다.

 

∙ 양자 통신은 큐비트를 주고 받는 과정이다. 양자키분배 프로토콜은 정보론적 보안성을 지닌 비밀키를 공유하는 방법이다. 큐비트를 네트워크 통신에 활용하면 더 높은 채널 용량을 얻을 수 있다.

 

∙ 양자키분배 프로토콜의 구현 과정은 양자 상태, 분배 및 측정에서 불완전한 요소들을 포함하며 현재의 구현에는 흠결 (loophole) 이 존재한다. 장치-무관 양자키분배 프로토콜은 구현에서 흠결을 제거할 수 있는 가능성을 제시한다.

 

∙ 양자 정보기술의 로드맵은 양자 기술의 새로운 응용 뿐 아니라 현재 양자 기술 (NISQ 기술)이 가진 문제점들을 보완하는 방향으로 진행되어야 한다.

 

 

 

(4) NISQ 기반 컴퓨팅

 

∙ NISQ 기술을 활용하여 기존 컴퓨팅 대비 더 빠른 속도의 컴퓨팅 기법을 구현할 수 있다. 대표적인 예로서 QAOA, VQE 등이 있으며, 이러한 양자 소프트웨어를 구현할 수 있는 클라우드 양자 컴퓨팅 서비스의 활용은 더욱 확대될 것이다.

 

 

(5) 양자 인터넷

 

∙ 양자 인터넷은 물리적으로 가장 근본적인 수준에서 정보를 지닌 객체를 서로 연계 한다. 양자 인터넷을 통해 연계된 큐비트와 비트는 현재 비트만을 연계한 네트워크 대비 더 높은 수준의 암호, 더 효율적인 통신, 더 빠른 속도의 컴퓨팅을 구현한다. 뿐만 아니라, 앞서 언급한 현재 양자 기술의 미완성도를 보완 및 극복하여 현재 기술 대비 더욱 뛰어난 역량의 정보처리를 가능하게 한다.

 

 

(6) 결론 및 방향

 

∙ 양자 인터넷의 완성도는 큐비트를 저장하는 양자 메모리의 활용에 대한 성숙도와 관련이 깊다. 양자키분배 프로토콜, 얽힘 분배, 장치-무관 양자 프로토콜, 분산 양자 컴퓨팅, 양자오류정정 등의 정보처리를 양자 인터넷에서 구현할 수 있다.

 

 

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