6G 이동통신과 양자기술

 

6G 이동통신과 양자기술 연계

지난 4월에 개최된 KAIST GSI '양자정보기술' 국제포럼에 세계적인 '물리학계 석학' 존프레스킬 교수도 온라인상으로 참여한 바 있는데, 일반인들에게는 생소하기만 한 양자역학에 대한 국민적 공감대 형성이 중요하다는 차원에서 국내외의 석학들이 소통에 나선 적이 있습니다. 이어 8월에는 'IT리더십 포럼'에서도 양자기술과 6G의연계의 필요성이 언급되면서 최근 대두되고 있는 양자역학이 무엇이고, 양자 컴퓨팅이란 무엇인지 궁굼해졌습니다.

 

그래서 이 궁굼증을 다소나마 풀어보면서 앞으로 다가올 6G 시대와 함께 양자기술이 어떻게 연계되어 우리 실생활에서 펼쳐질지 한번 살펴보고자 합니다.

 

 

 양자정보통신 생태계와 '6G표준'

우선 양자역학이란 무엇인지부터 알아보고, 양자 컴퓨터와 양자 통신 그리고 향후 전망 등에 대해서 살펴보겠습니다.

 

◎ 양자역학(Quantum mechanics)

 : 물질과 에너지의 본질과 습성을 밝히는 현대 물리학의 한 분야로 19세기 후반 물리학 분야에서 기존 고전역학(뉴턴역학)으로 설명할 수 없는 빛과 물질의 이중성, 수소의 불연속적인 스펙트럼 등 다양한 실험 결과들이 발견되었습니다. 예로 빛이 입자라는 것과 또한 빛이 파동이라는 실험 결과를 보여주었는데, 막스 폴랑크, 닐스 보어, 에르빈 슈뢰딩거, 베르너 하이젠베르크, 폴디락 등이 정립한 새로운 역학 체계가 양자역학입니다.

 

양자역학은 초기에는 거시 세계(macroscopic world; 눈으로 볼 수 있는 자연현상부터 우주나 천체 등을 포함하는 광범위한 세계)에서는 관측이 어려워 미시세계(microscopic world; 미립자의 세계)에서만 적용되는 이론이라는 오해를 받기도 했습니다. 양자역학의 원리 중 하나인 불확정성이 설명하는 비결정론적인 특성을 '아인슈타인'은 우리가 모르는 어떤 숨겨진 변수 때문이라고 생각했으나 수많은 과학자들의 노력으로 오늘날 양자역학은 현대사회에서 없어서는 안되는 이론이 되었습니다.

 

간단하게는 원지와 분자의 구조 분석부터 반도체 원리까지 물질에 대한 이해를 높여 주었으며, 처음 가 본 곳을 쉽게 찾아 가게 도와주는 GPS와 통신에 사용되는 레이저 기술, 반도체 개발 기술 등 수많은 기술도 양자역학으로 발전 할 수 있었습니다. 참고로 양자의 핵심 특성으로는 '중첩성, 불확정성, 비가역성, 얽힘'이 있습니다. [참조 : 정보통신용어사전]

 

 

◎ 양자 컴퓨터(quantum computer) 

 : 중첩(superposition)이나 얽힘(entanglement) 같은 양자역학적인 현상을 활용하여 자료를 처리하는 계산 기계로 이러한 방법을 양자 컴퓨팅(quantum computing)이라고 합니다. 양자 컴퓨터는 0과 1의 상태를 넘어서는 중첩을 활용하는 대표적인 개념으로 하나의 비트가 동시에 0과 1을 갖는 것을 허용하는데, 이를 퀀덤 비트(quantum bit)라 하며 줄여서 큐비트(qubit)라고 합니다.

 

큐비트는 0과 1의 상태가 중첩되어서 관측하는 순간 0 또는 1로 결정됩니다. 따라서  2개의 큐비트만으로 00, 01, 10, 11을 나타낼 수 있습니다. 기존의 2진법에서는 0과 1이라는 고정된 값만을 나타냈지만, 큐비트는 중첩된 상태를 지니고 있어 관측 전에는 해당 정보를 알지 못합니다. 이는 양자 암호화에도 활용할 수 있는데 제대로 된 열쇠가 있어야만 0, 1의 정보를  얻을 수 있게 됩니다. 그러므로 양자중첩 개념은 암호화에도 혁신을 가져올 수 있습니다.

 

 

◎ 양자 통신(quantum communication)

 : 양자 얽힘 현상을 이용하여 빛보다 빠른 속도로 정보를 전달하는 통신 방법을 말합니다. 현대 정보통신은 전자를 이용해 빛의 속도로 정보를 주고 받지만, 화성처럼 먼 외계행성과 정보를 주고 받으려면 20분 이상 걸립니다. 그러나 양자얽힘 현상을 이용하여 정보를 주고 받을 경우, 지구와 화성 사이에 실시간 정보전달이 가능합니다.

 

국내에서는 KT가 2017년에 양자암호통신 공동 연구를 시작으로 2018년 세계 최초 1:N 양자암호통신 상용 시험망을 구축한 후 2019년 국내 양자키 분배(QKD) 기술을 자체 개발했으며, 세계 최초 양자암호통신네트워크 국제표준 승인을 받았습니다. 2020년에는 5G 상용망 양자암호 실증에 성공했고, 2022년 2월에는 독자 개발한 양자암호통신 서비스 품질평가 기준이 국제전기통신연합(ITU)으로부터 세계 최초로 국제 표준 승인을 받기도 했습니다. 또한 5월에는 국내 최장거리인 1km 구간에서 무선 양자암호 전송에 성공하기도 했는데, KT는 다양한 중소기업과 손을 잡고 기술이전은 물론 산업 생태계와 협력하고 있는 중이라고 합니다.

 

 

◎ 양자 컴퓨팅의 전망과 6G

 : 양자 컴퓨터에 대한 아이디어가 나온지 40년이 되었지만, 아직까진 실용적인 활용은 못하고 있는데 이는 큐비트가 강하게 상호작용해야 암호화된 정보를 빠르게 처리 가능한데, 동시에 큐비트가 주변 환경과 상호작용하는 걸 원치 않아 연산에 실패 할 수 있기 때문이라고 합니다. 양자 컴퓨터의 구축은 21세기 과학기술의 가장 큰 도전 과제 중 하나로 슈퍼 컴퓨터를 능가하는 수준으로 같은 연산을 더 신속하고 접근 가능하게, 그리고 저렴하게 수행할 수 있어야 한다고 전문가들은 말합니다. 

 

현재 구글, IBM 등이 양자컴퓨팅을 중심으로 경쟁적으로 뛰어들며 글로벌 시장 핵심 미래기술로 주목받고 있는 상황에서

양자 컴퓨터는 데이터베이스 검색을 위한 알고리즘과 빅데이터, 인공지능(AI) 분야에서 슈퍼 컴퓨터를 능가하는 성능을 제공할 것으로 기대되며, 양자 센서는 낮은 에너지를 감지하기 위한 자율자동차 및 초정밀 센서 등의 분야에, 그리고 양자암호통신은 해킹이 불가능한 보안 분야에서 시장을 형성해나가고 있다고 합니다.

 

그러므로 정부는 2014년 양자정보통신 중장기 계획을 수립, 2021년 미래양자기술.산업육성법(정보통신융합법 개정) 마련과 함께 2021년 말에는 국가과학술자문회의의 양자 특위 발족, 2040년 양자기술 4대 강국 목표로 양자기술 R&D 투자 전략 수립을 하고, 2024년까지 50*큐비트(양자 단위)급, 2030년까지 100큐비트 한국형 양자컴퓨팅 시스템을 개발하고 유무선 분야 양자암호통신 커버리지를 확대할 예정이라고 합니다.

 

아울러 양자가 갖고 있는 통신 보안성이 6G 이동 표준과 맞물린다면 양자기술 전체의 활성화를 이끌 수 있을 것으로 내다 보고, 6G 포준화 이슈를 선점하고 리딩하고자 6G보안 측면에서 양자를 고민하는 게 우선 선택 가능한 옵션이 될 것이라고 합니다. 이를 위해 정부와 학계 및 통신업계 등이 협력해 양자정보통신 생태계 활성화 위해 '6G표준' 융합연구는 필수라고 전문가들은 주장하고 있습니다.

 

 

 

어떠신가요?.. 그 동안 막연히 궁굼했던 양자 컴퓨팅에 대한 궁굼증이 어느 정도 해소 되셨는지 모르겠습니다.

2030년 쯤 도래할 6G와 함께 양자 컴퓨터 그리고 양자통신으로 앞으로 어떤 멋진 세상이 펼쳐질지 기대됩니다!~ ^^