양자역학과 양자 암호 통신

2020. 11. 15. 00:34 IT·인터넷/IT 소식

양자 암호 전력 통신망 개통 뉴스

우와~ 전자신문에 놀라운 기사가 올라왔네요. 11월 13일 기사인데요, 한국전력공사 전력연구원에서 변전소와 변전소 사이 40km 구간에 양자 암호 통신 기술을 적용한 전력 통신망을 구축하여 개통했다는 소식입니다.

양자 암호 통신에 대해서는 잘 모르지만, 기사 내용 중에 도청자가 중간에서 정보를 취득하지 못하는 이유를 "양자 얽힘"에 의해 양자 상태가 변화된다고 나와 있는데 잘못된 내용이 아닌가 싶습니다. "양자 얽힘" 때문에 도청이 안 되는 것이 아니라 해커가 중간에 데이터를 탈취를 시도하면 양자 얽힘이 깨져서 도청이 안 되는 것으로 알고 있어서요.

혹시 기자가 "얽힘"을 관계가 연결되었다가 아니라 사건이 얼키설키 엉킨 뜻으로 이해한 것아 아닌가 생각되는데요, 자료를 찾아 정리하면 양자 암호 통신은 "양자 얽힘"을 이용하여 통신하며 중간에 해킹을 당하면 양자 상태가 바뀌게 되어 데이터 오염과 도청 여부를 알 수 있어서 해킹을 당하지 않는 꿈의 통신입니다.

양자역학은 매우 어려운 학문이어서 감히 배워 보겠다는 생각을 해 본적이 본 적이 없습니다. 딱 한 번, "쉬운 양자 역학"이라는 책을 본 적이 있는데, 반쯤 읽었나? 도대체 뭔 소리인지 하나도 모르겠더군요. 일반인에게는 외계어로 들리는 양자역학이지만, 놀랍게도 유튜브에서 찾아보면 적지 않은 동영상이 올라와 있습니다.

양자역학은 어려워도 매력적인 학문이고 양자역학에 대해서 전혀 몰라도 그 원리를 이용한 응용 제품을 이미 실생활에서 사용하고 있습니다. 예를 들어 레이저·LED·반도체 등이 있는데요, 모두 친숙한 단어들이죠. 얼마 안 있어 양자 컴퓨터·양자 암호 통신도 자주 접하게 될 것입니다.

 

양자 얽힘

양자역학에서 언급하는 양자 특성은 3가지입니다. 양자 불확정성, 양자 중첩 그리고 3번째가 양자 얽힘입니다. 양자 컴퓨터와 양자 암호 통신에서 사용된다는 양자 얽힘에 대해서 물리학자가 설명하면 어려울 수 있지만, 과학 문외한이 이해한 대로 얘기한다면 수준이 낮아서 오히려 쉬운 설명이 될 수 있겠습니다. 자세한 내용은 틀릴 수 있지만, 이곳저곳에서 들은 것을 겨우 이해한 내용을 정리하면 이렇습니다.

양자역학에서 전자는 회전한다고 합니다. 이를 spin이라고 하는데요, 전자 두 개를 상호 작용하게 하여 얽힘 상태를 만들면 둘은 항상 반대 방향으로 회전(spin)합니다. 어떻게 얽힘 상태를 만드는지, 전자의 회전 방향을 어떻게 아는지는 아무리 들어도 이해를 못하겠네요. 여하튼 서로 반대로 돌아야 운동량이 0이 된다고 합니다.

즉, 양자 얽힘으로 상호 작용하는 전자는 서로 정 반대로 회전하는데, 그래서 한쪽 상태를 보며 다른 쪽의 상태를 알 수 있습니다. 양자역학 하는 분은 "관측"이라는 말을 자주 사용하는데요, 한쪽 전자를 관측했을 때 다른 쪽의 전자 상태가 결정된다고 말합니다. 같은 말인데도 뭔가 매우 전문적으로 들리지요?

흥미롭게도 양자 얽힘은 전자 사이의 거리에 관계없다는 것입니다. 상호 얽힘 상태의 전자 두 개를 각각 상자에 넣고, 하나는 지구에, 다른 하나는 달에 갖다 놓았습니다. 지구에서 상자를 열어 전자 상태를 확인해 보니 시계 방향으로 돌고 있다면 달은 반 시계 방향으로 돌고 있는 것으로 관측된다는 것입니다.

이런 현상이 실험으로 증명이 되고 이를 바탕으로 양자 컴퓨터와 양자 암호 통신이 개발되고 있다는 것을 아인슈타인이 알게 되면 펄쩍 뛸 일입니다. 왜냐하면 아인슈타인은 빛 속도가 가장 빠르고 빛보다 빠른 물질은 없다고 주장했거든요. 이를 바탕으로 특수 상대성 이론을 발표했고요.

양자 얽힘으로 한쪽 상태가 확인되는 순간 다른 한쪽의 상태도 결정이 되려면 정보를 다른 쪽에 전달되어야 가능할 것인데, 거리에 관계없다니 아인슈타인으로써는 인정할 수 없는 것이죠. 지구와 달 사이 거리는 384,403km, 빛으로 달려도 1.255초가 걸립니다. 그런데 한쪽 상태를 확인되는 순간 다른 쪽 상태가 반대인 것으로 관측된다면 정보 속도는 당연 빛보다 빠른 것입니다.

아인슈타인은 기분 상할 일이지만, 정말 신기하지요? 정말이지 양자역학은 상식적으로 생각해서는 도저히 이해가 안 되는 학문인데, 이 원리를 바탕으로 양자 컴퓨터를 만들고 양자 암호 통신을 하네요. 이론을 실제로 만들어 내는 사람들도 정말이지 대단합니다.

우리나라는 국내 최초로 변전소끼리 40km 통신을 개통했고 중국은 양자 통신 위성 "묵자"를 쏘아 올려 베이징에서 오스트리아 비엔나까지 7600km를 양자 암호 통신에 성공했습니다. 아직까지는 개통과 성공했다는 것이 뉴스가 되고 있지만, 몇 년 안에는 통신은 당연히 양자 암호 통신이 될 날이 올 것입니다. 제발 그렇게 돼서 못된 해커는 게임이나 하는 날이 빨리 왔으면 좋겠네요.

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  1. 잘 보고 공감하고 갑니다^^
    좋은 하루보내세요
  2. 잘보고갑니다 포스팅
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