테스트 및 계측과 네트워크 암호화를 통해 양자 기술을 새로운 부문에 적용하는 방식

공공부문과 민간부문에서 양자 기술에 수십억 달러를 투자하고 있습니다. 양자 기술에서 새로운 이정표가 세워졌다는 기사가 연이어 언론에 보도되고 있습니다. 센서 기술, 컴퓨팅, 통신 부문에서 상상처럼 느껴지던 운용 방식이 곧 현실이 될 것으로 보입니다. 과학 및 산업 부문과 공공기관은 로데슈바르즈가 제공하는 고정밀 T&M(Test and Measurement) 솔루션을 사용해 개별 양자 시스템에서 특정 테스트를 수행할 수 있습니다. 또한 로데슈바르즈의 암호화 전문가는 연구 단계에 머무르던 양자 기반 보안 통신을 관련 부문에 적용하기 시작했습니다.

양자 컴퓨팅, 양자 센서 기술, 양자 통신, 이 세 가지 기술에는 어마어마한 잠재력이 있습니다. 양자 기술에 대한 투자 금액만으로 판단하더라도 양자 기술의 혁신 잠재력에 대한 기대가 얼마나 높은가를 알 수 있습니다. 전 세계의 유명 벤처캐피털 펀드들이 투자를 아끼지 않고 있으며 수십억 달러의 공공자원도 국내 및 다국적 연구 자금에 투입되고 있습니다.

예를 들어 독일 연방교육부는 26억 유로 규모의 양자 기술 펀드를 조성했습니다. EU Quantum Flagship 프로젝트에는 10억 유로 이상의 예산이 편성되어 있으며 US National Quantum Initiative Act에는 20억 달러가 배정되어 있습니다.

양자 효과는 일상 생활의 일부가 되었습니다. 예를 들어 최신 스마트폰의 경우 주로 플래시 메모리 칩에 수백, 수십억 개의 트랜지스터가 탑재되어 있습니다. 전류와 전압을 제어하는 트랜지스터의 기능은 반도체의 양자 기계학적 특성을 기반으로 합니다. 1세대는 자연적인 양자 효과를 이용합니다. 반면, 2세대 양자 기술은 개별 양자 상태를 만들고 제어하는 것을 기반으로 합니다.

더욱 빠른 속도의 양자 컴퓨팅.

우리의 세계는 이진 코드로 통제되고 있습니다. 기존 컴퓨터는 데이터를 1과 0, true 또는 false, off 또는 on의 시퀀스로 처리합니다. 이러한 방식은 간단한 텍스트 처리부터 메타버스의 가상 현실까지 모든 것에 적용됩니다. 하지만 우리가 생활하고 일하고 있는 세상은 점점 더 복잡해지고 있습니다. 우리가 처리해야 할 데이터의 양은 빠르게 증가하고 있습니다. 2012년부터 2020년까지 생성된 디지털 데이터의 양은 10배 증가했으며 2025년까지 다시 세 배로 증가할 것으로 예상됩니다. 예상되는 데이터의 양은 180제타바이트, 다시 말해 180조 기가바이트를 상회합니다.

따라서 기존 컴퓨터는 극복할 수 없는 두 가지 문제점, 즉, 시간과 복잡성에 직면해 있습니다. 데이터의 양이 많을수록 해당 데이터를 순차적으로 처리하는 데 필요한 시간도 증가합니다. 문제가 복잡할수록 두 가지 상태만 있는 이진 코드를 사용해 해결 방법을 효율적으로 계산할 수 있는 가능성은 감소합니다. 양자 컴퓨터는 현대 물리학에서 얻은 정보를 활용해 두 가지 문제점을 극복할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

"어느 한쪽-또는"이 아닌 "통합"

기존 비트와 마찬가지로, 양자 비트(qubit)는 양자 기계학적 메모리 단위를 형성합니다. 양자 비트는 0과 1 이외에도 오버랩과 혼합 상태를 가정할 수 있습니다. 이러한 동시성은 근본적인 기술적 패러다임의 변화를 나타냅니다. 이제 기존의 순차적 계산 방식을 동시에 실행할 수 있어 양자 컴퓨터가 매우 많은 시간을 절감해 줄 수 있다는 것입니다.

무엇보다도, 새로운 양자 기계학적 방식을 통해 새롭고 훨씬 복잡한 질문을 처리할 수 있습니다. 하지만 기존 처리 성능으로나 양자 컴퓨팅에서나 "어느 한쪽-또는" 방식으로 결정하지 않습니다. 대신, 중요한 것은 작업에 따라 기존 시스템과 양자 시스템을 통합하는 것입니다.

물리학 대 논리

양자 세계에서는 하나의 입자가 동시에 두 위치에 존재할 수 있습니다. 입자를 관찰한 때에만 측정 등의 방식으로 해당 위치를 좁혀갈 수 있습니다. 달리 말해, 입자를 관찰할 때까지는 확정적 위치가 없습니다. 이와 같이 특이한 특성으로 인해 상태가 매우 불안정적입니다. 오류 발생 가능성이 큰 개별 물리적 qubit을 사용하는 대신, 복수의 qubit은 논리적 qubit으로 그룹화됩니다. 하지만 단백질 접힘과 같은 실무적 질문에 대답하기 위해서는 최대 백만 개의 논리적 qubit이 포함된 양자 시스템이 필요하다는 것이 과제입니다. 논리적 qubit에는 최대 100개의 물리적 qubit을 포함할 수 있지만 최대 처리 용량은 현재 127 물리적 qubit에 불과합니다.

Zurich Instruments는 로데슈바르즈 계열사 중 가장 최근 포함된 기업입니다. 특히 양자 컴퓨팅에 대한 T&M 시장은 두 기업에 어마어마한 잠재성을 의미합니다. 양자 컴퓨터를 운영 및 유지하기 위해서는 RF 신호를 극히 정밀하게 발생 및 측정하여 양자 상태를 효과적으로 생성 및 기록해야 하므로 다양한 종류의 특정 T&M 솔루션이 필요합니다. 양자 컴퓨터를 위한 제어 시스템은 기업 포트폴리오의 일부입니다.

더욱 강화된 보안의 양자 통신

양자 컴퓨터는 처리 효율성의 한계를 높일 수 있는 잠재력이 있습니다. 하지만 그에 따라 보안 통신과 같은 과제를 해결해야 하는 문제가 따릅니다. 1990년대 초기에 고성능 양자 컴퓨터를 이용하여 기존 암호화 알고리즘을 깰 수 있는 최초의 알고리즘이 시작되면서 판도라의 상자가 열렸습니다.

그 후부터 다체 암호화 방식이 적용되었습니다. 기본적으로 두 가지 접근방식이 있습니다. 첫 번째는 전체적으로 기존 암호화 방식을 이용하는 PQC(Post-Quantum Cryptography, 포스트 양자 암호)이며 주요 차이점 한 가지는 양자 컴퓨터로부터의 공격 시 손상을 입지 않는다는 점입니다. 이 방식에 사용된 알고리즘은 양자 또는 기존 컴퓨터를 이용할 때 현재 알려진 효과적 공격이 없다는 이론적 가정을 기반으로 합니다.

두 번째 접근방식은 QKD(Quantum Key Distribution, 양자 키 분배)와 관련이 있습니다. 이 분야의 혁신을 주도하고 있는 당국은 독일 연방정보보안청(BSI)과 NIST(National Institute of Standards and Technology)입니다. 디지타이징이 더욱 증가하고 있는 사회에서 민간 부문 고객과 특히 정부 고객은 신뢰할 수 있는 IT 보안 솔루션에 의존합니다. 보안 통신 네트워크는 첨단 정보 사회에서 중요한 인프라가 되었습니다.

이러한 혁신 솔루션은 암호화에서 무엇을 중요시하는가에 대한 생각을 전환하고 있습니다. 기존 방식과 최근 소개된 포스트 양자 방식은 수학적 가정, 즉, 특정 작업을 충분히 효율적으로 계산할 수 없다는 개념을 기반으로 합니다. 반면 QKD는 물리적 원리를 기반으로 합니다.

협업을 통한 혁신

기술을 실제로 개발하는 것 이외에도, 고객과의 상호작용, 연구 단체 및 업계 협회 참여도 중요합니다. 이에 따라 로데슈바르즈는 새로 창설된 여러 협회에서 초창기 파트너로 활약해 왔습니다. 몇 가지만 소개하면 다음과 같습니다.