양자정보과학의 국가별 정책 동향, 기술적 과제 및 NISQ 시대의 발전 전망과 양자통신 기술의 특성 doc_id PCY_201908210327477671_1

미국은 2008년 12월 국가과학기술위원회에서 ‘양자정보과학의 연방비전’을 발표하여 기술의 잠재력을 이끌어내고 신기술에 대한 미국의 리더십 보장을 당부한 이래, 2016년 7월 오바마 정부의 백악관은 양자정보과학의 추진과 정책적 지원을 발표하고, 트럼프 행정부에서도 양자정보과학의 국가전략을 발표하여 각 정부부처의 지원정책 간 조율, 교육, 연구개발센터 등 정책지원을 위한 기본계획이 되도록 하였다. 특히, 2018년 12월 트럼프 대통령이 서명한 양자이니셔티브법이 통과되어 5년간 약 12억달러 예산을 가진 종합적이고 일관된 정책을 갖게 되었다. 유럽은 그동안 국가별로 따로 지원하고 있었으나 전 유럽이 공동으로 개발할 수 있는 10억유로 규모의 H2020 플래그십 과제로 발전시켜 2018년 10월부터 2021년 9월까지 3년간 1단계 사업이 시작되었다.영국은 2014년부터 2018년까지 지원한 4개의 양자허브 대학을 2024년까지 5년 더 지원하기로 하였고, 이와는 별도로 국립양자컴퓨팅센터, 박사급 교육센터, 산업화지원 등으로 약 3억2천만파운드의 지원정책을 2018년 11월에 발표하였다. 2018년 12월, 워싱턴 정가를 위한 국가자문, 의견수렴 등을 지원하는 비영리 단체인 과학, 공학, 의약 아카데미는 미국국가정보국의 지원을 받아 구글의 John Martinis 교수, MS의 Krysta Svore 등 약 50여 명 전문가의 의견을 참고하여 ‘Quantum Computing: Progress and Prospects’라는 보고서를 발간하였다. 양자컴퓨터의 전산 모델링은 1980년대에 제안되었고, 1990년 Shor알고리즘으로 암호해독 가능성을 제시한 이래 25년이 지난 지금, 시연 가능한 큐빗을 만들 수 있게 되었으며, 민간에서도 많은 투자를 하게 되었다. 그러나, 향후 발전전망을 위해서는 해결해야 할 문제를 다음과 같이 제시하고 있다. 2큐빗 연산 에러율은 수퍼센트에 이르고 있어서 에러율을 낮추어야 하고, 이를 보정하기 위한 양자에러정정 기술, 고전데이터의 효율적 양자데이터 변환 기술, 양자의 이점을 활용할 수 있는 다양한 양자알고리즘, SW 툴체인, 관측붕괴에 의한 디버깅 불가 극복방법 등이다. 2018년 1월 칼텍의 John Preskill 교수는 현재 개발된 양자컴퓨터의 성과를 높이 평가하고 활용성을 찾아주기 바라는 뜻으로 NISQ 시대라고 명명 하였다. 이것은 에러가 정정되지 않은 50~100큐빗의 중간규모 양자컴퓨터 시대라는 뜻으로 양자컴퓨터의 잠재력에 대해 설명하고, 결함허용 양자컴퓨터까지는 아직 먼 꿈이지만 이제 중요한 방점을 찍은 상태로서 슈퍼컴퓨터로 구현 가능한 수준인 50큐빗을 넘어서게 되었다는 것과 에러율이 0.1%라고 하더라도 1,000큐빗이라면 적어도 1개 큐빗은 에러라는 뜻이 되므로 계산결과를 신뢰할 수 없게 되는데(현재 에러율은 그보다도 훨씬 높아서 수 %에 이른다), 이러한 잡음 환경을 고려해야 하는 것 등을 지적하였고, 이외에도 NISQ 양자컴퓨터에 의한 계산속도향상을 가져올 수 있는 수학계산 분야는 최적화, 양자어닐링, 잡음탄력양자회로(Noise-Resilient Quantum Circuit), 양자딥러닝, 양자역행렬, 양자추천, 양자 Semidefinite 프로그래밍, 양자시뮬레이션, 양자게임 등에서 가능할 것으로 말하고 있다. 이러한 사실로 미루어볼 때, 양자컴퓨터는 모든 계산을 만능으로 할 수 있는 것이 아니고 제한된 수학계산에서 위력을 발휘할 수 있다는 것이다. 2018년 10월 미국 Quantum Xchange사는 뉴욕시의 월가와 뉴저지의 백오피스 간 양자암호를 적용한 금융거래 및 영업정보에 대한 비밀통신서비스를 시작하였다. 한편, 미국 IBM은 2016년 5큐빗의 양자컴퓨터를 일반에 공개한 데에 이어, 2018년 5월 양자컴퓨터의 상업적 사용을 지원하기 위한 5개 지역 허브와 본사 등 총 6개 센터를 만들고, 삼성, 어센추어, 엑슨모빌, JP모건 등 굵직한 기업들이 유료 사용자로 되어 있다. 또한, 2019년 1월에는 상업용 양자컴퓨터 시제품인 IBM Q System One을 공개하였다. 이러한 상용제품들이 출시되기까지 2000년 초반부터 시작된 수 많은 연구개발의 노력이 결실을 맺었기에 가능하다. 그동안 어떠한 기술적 진전이 있었는가와 향후의 발전 가능성에 대해서 생각해 본다. 양자통신기술은 양자암호통신기술과 양자전송 및 네트워크 기술로 나눌 수 있다. 양자암호통신기술은 양자의 성질 중 복제불가를 이용한 BB84 프로토콜 기술과 얽힘 광자를 이용한 E91 등 여러 가지 기술이 제안되고 있다. 그중 BB84 프로토콜과 다양한 변종이 양자암호통신을 위한 상용제품으로까지 발전하였다. 양자전송 및 네트워크에서는 얽힘의 상관관계를 이용하여 양자상태를 전송할 수 있고 여러 경로를 연결할 수 있는 기술로서 아직 기초기술연구에 머물러 있다. 양자암호통신은 이론적으로는 무조건적 안전성을 보장한다고 하지만, 암호화할 데이터의 전송속도보다 키생성속도가 매우 느려서 OTP(One Time Password)로써 역할을 할 수 없고, 부채널 공격에도 여전히 취약하며, 현재의 공개키인프라(PKI: Public Key Infrastructure)와 VPN(Virtual Private Network)에 의한 활용도보다 떨어지므로 널리 사용될 수 없다는 논의가 있었다. 암호통신의 단계는 계산복잡성에 의한 보안, 정보이론적 보안, 무조건적 안전의 3가지 단계가 있다. 즉, 무조건적 안전성을 보장하려면 무한한 계산능력을 가진 정보 탈취자로부터 안전해야 하는데, 계산의 어려움이나 복잡성에 의존하는 PKI나 VPN은 정보보호에 취약할 수밖에 없다. 다음 단계인 정보이론적 보안은 광CDMA전송과 같은 물리계층에서의 보안을 말하는데, 이 경우 현재 기술로는 어렵겠지만 수 dB의 SNR(Signal to Noise Ratio)를 개선할 경우 충분히 암호를 해독할 수 있다는 연구결과를 볼 때 안전하지 않다는 것을 알 수 있다. 마지막 단계인 BB84 양자암호분배 기술과 디바이스 독립 양자암호분배 기술을 사용한 경우가 무조건적 안전한 기술이 될 수 있다. 한편, 부채널 공격에 대해서는 어떠한 보안장비라고 하더라도 구현에 따른 결함을 가지고 있으므로 안전할 수는 없다. 따라서, 양자암호통신장비가 부채널 공격에 취약하기 때문에 양자암호를 쓸 수 없다는 것은 논리의 비약일 수 있다.