양자 역학의 특성을 이용하여 안전하게 정보를 보호하기 위한 알고리즘 또는 정보 이론적/수학적 방법론. 이전의 암호기법에는 그 형태에 따라 전치암호와 대치암호(transposition/substitution) 방법을 주로 사용하는 대칭키 암호기법(symmetric key algorithm)과 수학적 계산의 어려움에 기반한 비대칭키 암호기법(asymmetric key algorithm) 등이 있다. 이 암호기법들은 컴퓨터의 연산 속도로는 유의미한 시간 내에 해독할 수 없도록 하여 안전성을 보장한다. [네이버 지식백과] 양자 암호 [quantum cryptography, 量子暗號] (IT용어사전, 한국정보통신기술협회)

출처 : https://www.ntis.go.kr/issuernd/main/issueDtl.do?searchTopicNo=202110140001

양자 키 분배(Quantum Key Distribution)는 안전한 통신을 위한 암호체계이다. 1984년 C. H. Bennett과 G. Brassard가 제안하였으며, 기존에 있던 대부분의 암호체계가 대부분 수학적 복잡성에 기반하는데 비해, 양자암호는 자연현상에 기반하고 있는 특징을 띄며, 암호에 사용되는 원타임 패드를 생성하는 이상적인 방법 중 하나다. 중간에 도청자가 난입할 경우 그 존재가 드러나며, 신호가 왜곡되어 도청자도 정확한 정보를 얻을 수 없는 보안성을 띄고 있다. 가장 대표적인 양자암호(Quantum Cryptography) 체계이다. 원리 파장이나 진폭등으로 통신하는 일반적인 통신과는 달리 양자암호는 광자(photon) 하나하나단위로 신호를 실어 나른다. 광자 단위로 편광이나 위상차를 이용하여 신호를 전송하며, 송신측에서도 편광패드나, 간섭계를 사용하여 측정한다. 각종 외부환경에 취약한 광자의 특성상 가용전송거리가 매우 짧으며 보통은 이를 실용적으로 이용하기 위해 25km정도 단위마다 중계소를 설치하여 구성한 양자암호 네트워크가 있으며, 중계소 단위로 각각의 키를 분배한다. 현재 중계소 없이 가용한 통신거리는 약 140km이다. 편광과 위상 광자를 이용한 양자통신에서 신호를 부여하는 방법에는 두가지가 있다. 광자에 편광성질을 부여해 전송한 다음 편광 필터로 측정하는 방식이 있으며, 위상시간차를 두어 간섭계를 이용해 측정하는 방법이 있다. 보통 마흐-젠더 간섭계가 측정을 위해 사용된다. 양자채널 / 퍼블릭채널 양자암호학에는 두가지 채널이 사용된다. 광자 하나하나에 신호를 실어 보내서 통신하는 양자채널(quantum channel)과 기존의 통신망을 활용하는 퍼블릭채널(public channel)이 있다. 퍼블릭채널은 일반적으로 기존의 TCP/IP 프로토콜을 활용한다. BB84 프로토콜 이 문단은 C. H. Bennet과 G. Brassard가 1984년 IEEE International Conference on Computers, Systems, and Signal Processing에서 발표한 《Quantum Cryptography: Public key distribution and coin tossing》논문과 Bouwmeester, Dirk, Artur K. Ekert, Anton Zeilinger가 저서한 Springer社의 《The physics of quantum information :quantum cryptography, quantum teleportation, quantum computation》을 토대로 작성했습니다.1984년 C. H. Bennet과 G. Brassard가 양자암호에 대한 논문을 발표하면서 같이 제안한 양자암호 통신 프로토콜이다. 송신자(엘리스)와 수신자(밥) 사이에 OTP를 생성하는 프로토콜이며, 표와 같이 0비트의 상태를 나타내는 편광 2가지와 1비트의 상태를 나타내는 편광 2가지를 정의 한 다음 십자필터와 대각필터를 통해 측정하게 된다. 이 프로토콜을 통해 엘리스와 밥은 임의의 난수를 생성할 수 있으며, 중간에 도청자(이브)가 난입하여 정보를 가로채려는 시도를 해도 정확한 정보획득이 어려울뿐더러, 신호가 왜곡되어 이브의 존재가 드러나게 된다. BB84 프로토콜의 전체적인 흐름은 다음과 같다. 엘리스가 임의의 비트를 생성한다 비트를 전송할 편광신호로 변환하기 위해 필터를 하나 선택한다. 필터에 대응되는 편광신호를 생성하고 양자채널로 보낸다 밥은 측정하기 위한 편광필터를 임의로 선택한다. 선택한 편광필터로 값을 측정하여 보관한다. 엘리스와 밥은 퍼블릭 채널을 통해 같은 필터를 사용했는지 여부를 검증한다. 같은 필터를 사용한 비트에 대해서만 보관하고 서로 다른 필터를 사용한 비트는 제거한다.이와같은 과정을 거치면 표처럼 엘리스와 밥은 0101이라는 같은 값을 공유하게 되며 이것을 비밀키로 활용하게 된다. 보안성 수학적 해독 사용되고 있는 대부분의 암호체계는 보통 수학적 복잡성에 기반을 두고 있고 가역적이기 때문에 언젠가는 문제가 풀리게 된다. 가장 강력한 암호체계중 하나로 불리는 RSA의 경우 문제풀이에 천문학적인 시간이 소요되므로 사용되고 있지만, 컴퓨터의 발전에 따른 처리시간의 단축으로 인해 단시간 안에 해독될 가능성이 있다는 의견이 제시되기도 했다. 반면 양자암호의 경우 수학적 복잡성이 아닌 비가역적인 물리학적 자연현상에 기반을 두고 있어서 앞선 다른 암호체계같은 수학적 접근이 불가능하다. 광자 가로채기 후 재전송으로부터의 보안성 이 문단은 C. H. Bennet과 G. Brassard가 1984년 IEEE International Conference on Computers, Systems, and Signal Processing에서 발표한 《Quantum Cryptography: Public key distribution and coin tossing》논문과 Bouwmeester, Dirk, Artur K. Ekert, Anton Zeilinger가 저서한 Springer社의 《The physics of quantum information :quantum cryptography, quantum teleportation, quantum computation》을 토대로 작성했습니다.통신 프로토콜의 약점을 이용해 공격하는 방법중 대표적인 방법 중 리플레이 공격(Replay attack)이 있다. 양자암호의 경우도 이러한 공격을 생각할 수 있지만, 공격자가 신호를 측정하는 과정에서 실수를 하게 되는 경우 신호가 왜곡되어 정확한 정보를 측정하지 못할뿐더러 왜곡된 신호를 통해 도청자의 존재가 발각된다. 자세한 내용은 다음과 같다. 패킷 등의 다수입자를 이용한 일반적인 통신방법과 달리 양자암호의 경우 양자채널에서는 하나하나의 광자에 신호를 부여해 나가므로 도청을 위해서는 모든 단일 광자에 대해서 측정을 해야 한다. 양자역학에서는 복제 불가능성 원리(No-cloning theorem)와 측정 후 붕괴(Wave function collapse)라는 특이한 현상 때문에 단일 광자를 정확하게 측정할 수 있는 기회는 단 한번으로 제한된다. 공격자는 단 한번의 기회에 정확한 패드(십자 또는 대각선 패드)를 선택해야 하는데, 둘 중 하나이므로 50%의 확률로 잘못 선택하게 된다. 또한 잘못 선택하게 되는 경우에 한해 이를 우연히 정확한 비트(0 또는 1)로 선택할 확률은 50%이다. 따라서 공격자가 단일 광자에 실린 비트를 잘못 측정할 확률은 1 2 × 1 2 = 25 % {\displaystyle {\tfrac {1}{2}}\times {\tfrac {1}{2}}=25\%} 가 되며 반대로 정확하게 전송 할 확률은 75%가 된다. 반면 퍼블릭채널에서는 일반적인 방법과 동일하게 용이한 도청이 가능하다. 송신자와 수신자는 퍼블릭채널을 통해 교환된 비트의 무결성(integrity)을 체크하여 도청자의 존재를 알아낼 수 있다. 데이터가 손상되어있을 경우 중간에 누군가가 신호를 왜곡했다는 증거이며 이는 다시말해 도청자가 존재한다는 것으로 해석이 된다. 도청자가 하나의 광자를 정확히 측정할 확률은 75%이므로 n개의 광자를 사용하는 n비트 데이터의 경우 중간에 도청자가 발견될 확률은 다음과 같다. P d = 1 − ( 3 4 ) n {\displaystyle P_{d}=1-\left({\frac {3}{4}}\right)^{n}} 즉 n=72비트 데이터의 경우 도청자가 발견 될 확률은 P_d = 0.999999999에 육박한다.하지만 모든 데이터를 교환하는 것은 정보를 노출시킬 위험이 있으므로 보통은 데이터의 일부만 체크하여 도청자의 존재를 파악한다. 다음의 표는 BB84 프로토콜에서 도청자가 중간에 난입해 있을 경우 어떻게 신호가 전송되고 왜곡되는지를 보여준다. 표에서 앨리스는 송신자, 밥은 수신자, 이브는 도청자를 의미한다. 복제 불가능성 원리에 의한 보안성 양자암호의 제일 큰 보안성은 측정이 1회만 허용된다는 것이다. 최초의 기회를 제대로 활용하지 못할 경우 신호는 왜곡이 되며 두 번째 측정부터는 정확한 측정이 불가능하게 된다. 이 경우 전송 중인 광자를 한 번 복사하여 2개 이상의 광자를 생성한 다음 따로 측정하는 가설이 존재할 수 있으나, 이는 양자역학의 기초현상 중 하나인 복제 불가능성 원리 에 따라 광자의 완벽한 복사 자체가 불가능하다. 취약점 광자분리공격 광자분리공격(Photon Number Splitting Attack, PNS Attack)은 현재 존재하는 단일광자생성기(Single photon generator)의 불완전성을 이용하여 파훼하는 방법이다. 일반적으로 신호를 생성하면 하나의 광자만 생성되지 않고 수개의 광자가 동시에 생성되어 전송된다. 통신회선 중간에 반투명거울(Beam Splitter)을 설치하여 광신호의 일부를 분리해 낸 다음 측정하여 전송되는 신호가 무엇인지 알아내는 공격방법이다. 맨-인더-미들-어택 맨-인더-미들-어택(Man-in-the-middle attack, MITM Attack)은 중간에 공격자가 중계소 행세를 하며 송신자와 수신자를 교란하는 방법이다. 송신자와 공격자 사이에 다른 키를 서로 공유하고, 공격자와 수신자 사이에 다른 키를 공유하며 중간에서 오가는 신호를 도청하는 방법이다. 서비스 거부 공격 서비스 거부 공격(Denial of Service, DoS)은 통신선상에 과부하를 주어서 정상적인 통신을 하지 못하거나 하기 힘들게 만드는것을 뜻한다. 제일 대표적인 서비스 거부 공격으로는 케이블의 물리적 절단이 있다. 그 외에도 퍼블릭 채널을 대상으로 하는 고전적인 서비스 거부 공격등이 가능하다. 실용화 가용통신거리 연장 일반적으로 단일 광자가 가지는 민감성 때문에 양자채널에서는 신호의 왜곡이나 노이즈가 많이 발생한다. 이를 보완하기 위해 물리계층에서의 연구를 통해 현재는 1회 가용 통신거리를 144km까지 늘렸으며, 이보다 더 큰 거리를 통신할때는 중간에 중계소를 설치하여 비밀키를 다시 분배하는 구조로 구성되어 있다. 양자암호 통신용 네트워크 장치 SECOQC 프로젝트 EU에서 11개국이 같이 참가하여 양자 키 분배 네트워크를 구축한 프로젝트, 기존의 양자암호체계가 가진 한계점을 일부 극복했으며 2008년도에 실험이 성공적으로 행해졌다. 같이 보기 양자역학 양자정보 암호학 정보 보안관련문헌, 논문 양자암호학 관련 논문 Quantum Cryptography: Public key distribution and coin tossing, C. H. Bennet and G. Brassard Outline of the SECOQC Quantum-Key-Distribution Network in Vienna, Poppe, Andreas 외 2명 Experimental Demonstration of Free-Space Decoy-State Quantum Key Distribution over 144 km, Tobias Schmitt-Manderbach외 11명양자암호학 관련 서적 The physics of quantum information :quantum cryptography, quantum teleportation, quantum computation 뉴턴 하이라이트, 양자론양자역학/양자정보과학 관련 서적/논문 Introduction to quantum mechanics. David J. Griffiths (대한민국에서는 《양자역학》이라는 제목의 번역서가 있음) Quantum information: Remember that photon. Philippe Grangier Experimental realization of Shor's quantum factoring algorithm using nuclear magnetic resonance. Lieven M.K외 6명암호학 관련 서적 코드북, Simon Singh Cryptography and network security: principles and practice, Stallings, W.각주

출처 : https://ko.wikipedia.org/wiki/양자 키 분배

양자역학에서, 양자 얽힘(quantum entanglement) 또는 간단히 얽힘은 두 부분계 사이에 존재할 수 있는 일련의 비고전적인 상관관계이다. 얽힘은 두 부분계가 공간적으로 서로 멀리 떨어져 있어도 존재할 수 있다. 예를 들어, 두 입자를 일정한 양자상태에 두어 두 입자의 스핀이 항상 반대가 되도록 하자. (예를 들어 두 스핀의 단일항 상태.) 양자역학에 따르면, 측정하기 전까지는 두 입자의 상태를 알 수 없다. 하지만 측정을 한다면, 그 순간 한 계의 상태가 결정되고 이는 즉시 그 계와 얽혀 있는 다른 계의 상태까지 결정하게 된다. 이는 마치 정보가 순식간에 한 계에서 다른 계로 이동한 것처럼 보인다. 이러한 양자 얽힘 이론이 등장한 이후 양자암호, 양자컴퓨터, 양자전송 실험 등이 꾸준히 진행되었고 이를 통해 양자얽힘 이론의 예측을 실증할 수 있었다. 이러한 실험적 결과들이 점점 쌓여가는 한편 철학적인 논의도 꾸준히 진행되었는데, 그중 하나는 이 양자얽힘 현상이 국소성의 원리를 위배한다는 논의였다. 이 국소성의 원리는 계의 상태에 관한 정보가 항상 그 계의 주위를 통해서만 매개될 수 있다는 원리로, 만약 양자얽힘 현상에 의해 정보가 전달된다면 주위를 통하지 않고도 정보를 전달할 수 있어 국소성의 원리와 모순을 일으키게 된다. 결국 양자얽힘 과정에서 실제로 정보가 어떻게 전달되는지에 대한 논의가 계속되었고, 이후 이 모순을 없앨 수 있는 양자역학의 새로운 해석방법이 대두하게 된다. 역사적 배경 양자얽힘은 양자역학의 코펜하겐 해석으로부터 유도되는 결론 중 하나이나, 그 비직관성으로 인해 아인슈타인을 비롯한 여러 과학자들에게 받아들여지지 않았다. 이들은 양자역학의 표준해석방법인 코펜하겐 해석을 받아들이지 않고 대신 숨은 변수 이론을 창안하였다. 이 이론은 아직 알려지지 않은 결정론적 매개변수가 상호작용을 유도한다는 내용으로, 코펜하겐 해석의 확률적 해석을 반대하는 입장이었다. EPR 역설과 벨 부등식 1935년에 알베르트 아인슈타인과 보리스 포돌스키, 네이선 로젠(영어: Nathan Rosen, 히브리어: נתן רוזן)은 양자역학의 비국소적이고 비직관적인 현상에 대한 사고 실험인 EPR 역설을 발표하였다. 이들은 양자역학과 비슷한 물리 현상을 예측하면서 국소성 원리를 만족하는 숨은 변수 이론을 찾으려고 노력하였다. 1964년에 존 스튜어트 벨은 모든 숨은 변수 이론이 만족하지만 양자역학은 만족하지 않는 벨 부등식이라는 조건을 유도하였다. 실험 결과, 실제 물리 현상은 벨 부등식을 따르지 않는다는 사실이 밝혀졌고, 따라서 자연계는 숨은 변수 이론으로 기술할 수 없다. 정의 브라-켓 표기법을 사용하자. 서로 상호작용하지 않는 두 부분계 A, B로 이루어진 전체 계를 생각하자. 그렇다면 전체 계의 힐베르트 공간은 A계와 B계의 힐베르트 공간의 텐서 곱이다. 식으로 쓰면 다음과 같다. H = H A ⊗ H B {\displaystyle {\mathcal {H}}={\mathcal {H}}_{A}\otimes {\mathcal {H}}_{B}} .그렇다면 전체 계의 상태 $ | ψ ⟩ ∈ H {\displaystyle |\psi \rangle \in {\mathcal {H}}} 가운데 일부는 다음과 같이 쓸 수 있다. | ψ ⟩ = | ψ ⟩ A ⊗ | ψ ⟩ B {\displaystyle |\psi \rangle =|\psi \rangle _{A}\otimes |\psi \rangle _{B}} , 여기서 ( | ψ A ⟩ ∈ H A {\displaystyle |\psi _{A}\rangle \in {\mathcal {H}}_{A}} , | ψ B ⟩ ∈ H B {\displaystyle |\psi _{B}\rangle \in {\mathcal {H}}_{B}} ).이렇게 두 부분계의 상태의 텐서 곱으로 나타내어진 상태는 분리가능한 상태(separable state)라고 말한다. 반대로, 전체 계의 상태 가운데 이와 같이 두 부분계의 상태의 텐서 곱으로 나타낼 수 없는 상태를 얽힌 상태(entangled state)라고 한다. 예를 들어, 다음과 같은 상태는 ( | ψ ⟩ A {\displaystyle |\psi \rangle _{A}} 와 | ψ ′ ⟩ A {\displaystyle |\psi '\rangle _{A}} 가 평행하지 않고, | ψ ⟩ B {\displaystyle |\psi \rangle _{B}} 와 | ψ ′ ⟩ B {\displaystyle |\psi '\rangle _{B}} 가 평행하지 않을 때) 일반적으로 얽힌 상태다. | ψ ⟩ A ⊗ | ψ ⟩ B + | ψ ′ ⟩ A ⊗ | ψ ′ ⟩ B ∈ H {\displaystyle |\psi \rangle _{A}\otimes |\psi \rangle _{B}+|\psi '\rangle _{A}\otimes |\psi '\rangle _{B}\in {\mathcal {H}}} . ( | ψ ⟩ A , | ψ ′ ⟩ A ∈ H A {\displaystyle |\psi \rangle _{A},|\psi '\rangle _{A}\in {\mathcal {H}}_{A}} , | ψ ⟩ B , | ψ ′ ⟩ B ∈ H B {\displaystyle |\psi \rangle _{B},|\psi '\rangle _{B}\in {\mathcal {H}}_{B}} )수학적으로, 양자역학적 상태는 힐베르트 공간 H {\displaystyle {\mathcal {H}}} 의 반직선으로 이루어진 사영 힐베르트 공간 P ( H ) {\displaystyle P({\mathcal {H}})} 의 원소다. 두 부분계의 상태의 텐서 곱 P ( H A ) × P ( H B ) → P ( H A ⊗ H B ) {\displaystyle P({\mathcal {H}}_{A})\times P({\mathcal {H}}_{B})\to P({\mathcal {H}}_{A}\otimes {\mathcal {H}}_{B})} 을 나타내는 함수를 세그레 매장(Segrè embedding/mapping)이라고 한다. 따라서 분리가능한 상태는 세그레 매장의 치역이고, 그 여집합은 얽힌 상태다. 예제 A와 B가 각각 두 개의 상태 | 0 ⟩ {\displaystyle |0\rangle } 과 | 1 ⟩ {\displaystyle |1\rangle } 을 가질 수 있는 계(two-state system)라고 하자. (이런 계는 전자의 스핀 등이 있다.) 이 때, 다음과 같은 상태는 얽혀 있다. 1 2 ( | 0 ⟩ A ⊗ | 1 ⟩ B − | 1 ⟩ A ⊗ | 0 ⟩ B ) {\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {2}}}\left(|0\rangle _{A}\otimes |1\rangle _{B}-|1\rangle _{A}\otimes |0\rangle _{B}\right)} .이런 상태에서 A의 스핀을 측정한다면, 다음 두 결과 가운데 하나가 50%:50%의 확률로 일어난다. A의 스핀을 0으로 측정한다. 이에 따라 계의 상태는 | 0 ⟩ A ⊗ | 1 ⟩ B {\displaystyle |0\rangle _{A}\otimes |1\rangle _{B}} 으로 바뀐다. A의 스핀을 1로 측정한다. 이에 따라 계의 상태는 | 1 ⟩ A ⊗ | 0 ⟩ B {\displaystyle |1\rangle _{A}\otimes |0\rangle _{B}} 로 바뀐다.만약 A의 스핀을 0으로 측정했다면, 그 뒤에 B의 스핀을 측정하면 100%의 확률로 항상 1을 얻는다. 반대로, A의 스핀을 1로 측정했다면, 그 뒤에 B의 스핀을 측정하면 100%의 확률로 항상 0을 얻는다. 하지만 A의 스핀을 먼저 측정하지 않고 B의 스핀을 측정하면 B는 50%:50%의 확률로 0 또는 1을 얻는다. 이에 따라, A의 스핀의 측정이 B의 스핀의 측정에 일종의 영향을 줄 수 있다. 이는 A와 B가 공간적으로 매우 멀리 떨어져 있어도 가능하다. 이것은 EPR 역설의 한 형태다. 하지만 얽힘 현상을 써서 먼 거리 사이에 정보를 전송할 수는 없다. A를 측정하여 어떤 결과를 얻을지 알 수 없기 때문이다. 만약 스핀의 상태를 복제할 수 있다면 다음과 같이 정보를 전달하는 방법을 생각해 볼 수 있다. A계에서 한 비트를 전송하고 싶다고 하자. 0을 전송하려면 아무것도 하지 않고, 1을 전송하려면 A의 스핀을 측정한다. 그렇다면, B에서 전송한 결과를 다음과 같이 받을 수 있다. 우선, B의 스핀 상태를 여러번 복제하고, 복제한 상태들의 스핀을 각각 측정한다. 만약 A가 0을 전송하였으면 (A의 스핀을 측정하지 않았으면) B의 복제본들의 측정 결과는 제각각이겠지만, 만약 A가 1을 전송하였으면 (A의 스핀을 측정하였다면) B의 복제본들의 스핀은 모두 0이거나 모두 1이어야 한다. 하지만 양자역학적 상태는 복제 불가능 정리(no-cloning theorem)에 의하여 정확히 복제할 수 없고, 이러한 정보 전달 방법은 불가능하다. 스핀 단일 상태의 상관 관계 위와 같은 상관관계는 고전적으로 설명할 수 있다. 예를 들어, A의 스핀과 B의 스핀이 항상 반대이지만, 어느 스핀이 0이고 어느 스핀이 1인지는 알 수 없을 수 있다. 하지만 얽힘은 다음 예와 같이 고전적으로 설명하기 힘든 상관관계를 가질 수 있다. 두 개의 전자로 이루어진 계를 생각하자. 전자는 스핀이 ½인 페르미온이므로, 페르미-디랙 통계로 인해 계의 파동 함수는 반대칭적이다. 그 중 총 스핀이 0인 스핀 단일 상태(singlet state)는 다음과 같다. | singlet ⟩ = 1 2 ( | z ^ + ⟩ A ⊗ | z ^ − ⟩ B − | z ^ − ⟩ A ⊗ | z ^ + ⟩ B ) {\displaystyle |{\text{singlet}}\rangle ={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left(|{\hat {z}}+\rangle _{A}\otimes |{\hat {z}}-\rangle _{B}-|{\hat {z}}-\rangle _{A}\otimes |{\hat {z}}+\rangle _{B}\right)} 명시적으로 스핀이 양자화된 방향을 표시하였다. 이제 위와 같은 상태의 두 입자로 이루어진 계에서 하나의 스핀을 측정하는 경우를 생각해 보자. +나 −가 나올 확률이 반반일 것이다. 이 경우도 위와 마찬가지로 A를 측정해서 +가 나왔다면, 계 B를 측정하면 반드시 −가 나와야 한다. 즉, A를 +로 측정하면, 계의 상태는 | z ^ + ⟩ A ⊗ | z ^ − ⟩ B {\displaystyle |{\hat {z}}+\rangle _{A}\otimes |{\hat {z}}-\rangle _{B}} 로 바뀐다. A를 측정해서 −가 나왔다면, 계 B를 측정하면 반드시 +가 나와야 한다. 즉, A를 −로 측정하면 계의 상태는 | z ^ − ⟩ A ⊗ | z ^ + ⟩ B {\displaystyle |{\hat {z}}-\rangle _{A}\otimes |{\hat {z}}+\rangle _{B}} 로 바뀐다.이러한 사고 실험을 실제로 수행하려면, 총 스핀이 0인 입자가 붕괴하는 과정을 사용해야 한다.(각운동량 보존에 의해 붕괴된 두 입자의 스핀합도 0이어야 한다. 따라서 동일한 입자가 생성될 경우 스핀 단일 상태로 생성되게 된다.) 이 같은 예로는 에타 중간자가 뮤온 쌍으로 붕괴하는 현상이 있다. 식으로 쓰면 다음과 같다. η → μ+ + μ−하지만 이 현상은 일어날 확률이 6 × 10 − 6 {\displaystyle 6\times 10^{-6}} 로 매우 작아 실험적으로 적합하지 않다. 다른 예로는, 작은 운동 에너지를 갖는 두 양성자가 충돌하여 다시 튀어나가는 현상을 생각해 보자. p + p → p + p파울리 배타 원리 때문에 상호작용한 양성자들은 1S$₀ 상태에 있게 되고, 산란된 양성자들의 스핀 상태는 양성자들이 멀리 떨어진 상태에서도 위와 같이 얽혀 있게 된다. 다시 측정결과로 돌아와서 보면 위의 예 (순수한 계) 와 별다른 차이가 없어 보인다. 위에서처럼 측정 전에는 알지 못했을 뿐이지 흰 공과 검은색 공이 든 항아리에서 공 하나를 꺼내 측정하는 것과 똑같이 설명할 수 있지 않을까? 흰 공이 앨리스에게로 갔다면, 밥은 검은 색 공을 꺼내게 될 것이다. 하지만, 이 문제는 이렇게 간단하지 않다. 스핀이 방향성을 갖기 때문인데, 스핀 단일 상태를 x나 y방향의 스핀 고유 상태로 표시하면 어떻게 될까? x방향의 고유상태와 y방향의 고유상태는 $ | x ^ ± ⟩ = 1 2 ( | z ^ + ⟩ ± | z ^ − ⟩ ) {\displaystyle |{\hat {x}}\pm \rangle ={1 \over {\sqrt {2}}}{\bigg (}|{\hat {z}}+\rangle \pm |{\hat {z}}-\rangle {\bigg )}} , | z ^ ± ⟩ = 1 2 ( | x ^ + ⟩ ± | x ^ − ⟩ ) {\displaystyle |{\hat {z}}\pm \rangle ={1 \over {\sqrt {2}}}{\bigg (}|{\hat {x}}+\rangle \pm |{\hat {x}}-\rangle {\bigg )}} 와 같은 관계를 가지고 있으므로, 스핀 단일 상태(spin singlet state)는 | singlet ⟩ = 1 2 ( | x ^ + ⟩ A ⊗ | x ^ − ⟩ B − | x ^ − ⟩ A ⊗ | x ^ + ⟩ B ) = 1 2 ( | y ^ + ⟩ A ⊗ | y ^ − ⟩ B − | y ^ − ⟩ A ⊗ | y ^ + ⟩ B ) {\displaystyle |{\text{singlet}}\rangle ={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left(|{\hat {x}}+\rangle _{A}\otimes |{\hat {x}}-\rangle _{B}-|{\hat {x}}-\rangle _{A}\otimes |{\hat {x}}+\rangle _{B}\right)={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left(|{\hat {y}}+\rangle _{A}\otimes |{\hat {y}}-\rangle _{B}-|{\hat {y}}-\rangle _{A}\otimes |{\hat {y}}+\rangle _{B}\right)} 와 같이 표현될 수 있다. x방향의 스핀을 측정하고 난 뒤 B의 z방향 스핀을 측정하는 경우를 생각해 보자. A의 x방향 스핀 측정 결과에 관계없이 B의 z방향 스핀은 +와 −가 반반씩 측정될 것이다. A의가 x방향 스핀 정보를 측정하면 계의 상태가 | x ^ + ⟩ A ⊗ | x ^ − ⟩ B {\displaystyle |{\hat {x}}+\rangle _{A}\otimes |{\hat {x}}-\rangle _{B}} 또는 | x ^ − ⟩ A ⊗ | x ^ + ⟩ B {\displaystyle |{\hat {x}}-\rangle _{A}\otimes |{\hat {x}}+\rangle _{B}} 로 붕괴할 것이기 때문에 B의 z방향 성분은 무작위로 측정된다. 결과를 정리하면 다음과 같다. A는 z방향 B는 x방향을 측정할 때 (A와 B가 서로 수직한 다른 방향의 스핀 성분을 측정할 때), 두 측정 사이의 상관관계는 없다. A와 B가 같은 방향을 측정할 때, 두 측정은 100%의 상관관계 (반대방향)를 갖는다. A의 스핀을 측정하지 않는다면, B는 측정방향에 상관없이 무작위 결과를 내놓는다.이를 표로 쓰면 다음과 같다. 따라서, B의 측정 결과는 A에 행해진 측정 방법에 따라 달라지는 것처럼 보인다. 이는 양자역학적으로 측정이 단순히 기존에 있는 상태를 건드리지 않고 기록하는 과정이 아니라, 계의 상태를 바꾸기 때문이다. A의 z방향 스핀 성분을 +로 관찰하면, 계의 상태는 | z ^ + ⟩ A ⊗ | z ^ − ⟩ B {\displaystyle |{\hat {z}}+\rangle _{A}\otimes |{\hat {z}}-\rangle _{B}} 으로 바뀐다. 즉, 계의 일부분을 측정하여도 계 전체의 상태가 바뀐다. 참고 문헌 Bengtsson I, Życzkowski K (2006). 《Geometry of Quantum States: An Introduction to Quantum Entanglement》. Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 0-521-81451-0.  Bengtsson I, Życzkowski K (2006). “An Introduction to Quantum Entanglement: a Geometric Approach”. arXiv:quant-ph/0606228.  Steward EG (2008). 《Quantum Mechanics: Its Early Development and the Road to Entanglement》. Imperial College Press. ISBN 978-1-86094-978-4.  Horodecki R, Horodecki P, Horodecki M, Horodecki K (2009). “Quantum entanglement”. 《Reviews of Modern Physics》 81 (2): 865–942. arXiv:quant-ph/0702225. Bibcode:2009RvMP...81..865H. doi:10.1103/RevModPhys.81.865.  CS1 관리 - 여러 이름 (링크) Jaeger G (2009). 《Entanglement, Information, and the Interpretation of Quantum Mechanics》. Heildelberg: Springer. ISBN 978-3-540-92127-1.  Plenio MB, Virmani S; Virmani (2007). “An introduction to entanglement measures”. 《Quantum Information and Computation》 1 (7): 151. arXiv:quant-ph/0504163. Bibcode:2005quant.ph..4163P. $

출처 : https://ko.wikipedia.org/wiki/양자 얽힘

차세대 인터넷 기술로 주목받는 양자 인터넷 양자(Quantum) 인터넷은 양자의 특성인 작은 파동(Pulse)에 정보를 입력해 인터넷이 작동하도록 하는 차세대 인터넷 기술 정보 양이 증가하면 속도가 느려지는 기존 인터넷과 달리 정보량이 아무리 증가해도 속도가 거의 떨어지지 않고 보안 기능도 우수 세계적으로 양자 역학을 활용한 통신 시스템 구축은 미래 가장 중요한 기술적 과제로 인식하고 있으며 과학자들은 프로토타입 개발이 향후 10년 내 실현 가능할 것으로 전망 2020년 MIT 10대 혁신기술에도 ‘해킹 불가능한 인터넷(Unhackable Internet)’ 기술이 첫 번째로 꼽히며 양자 인터넷이 가져올 막대한 영향력을 입증 미국 정부는 새해 예산안을 발표(2.10)하면서 해킹이 어려운 ‘국가 양자 인터넷’에 2,500만 달러(약 300억 원) 투자 계획을 밝히고 양자 컴퓨팅 연구 지원을 강화 미국, 빠른 속도와 우수한 보안성을 갖춘 양자 인터넷 개발 속도 미국 에너지부(DOE: Department of Energy)는 산하 국립연구소 및 민간 사업자와 함께 범국가적 양자 인터넷 구축을 위한 구체적 청사진을 담은 보고서 발표(7.23) - 올 초부터 양자물리학자 등 각계 전문가 의견을 수렴해 작성한 보고서로 지난 2018년 트럼프 미국 대통령이 서명한 국가 양자 이니셔티브 법안(NQI: National Quantum Initiative Act)에 근거 - 해당 보고서에는 양자 역학에 기반을 둔 통신망 구축의 기술적 과제, 수행해야할 필수 과제, 로드맵 등을 담고 있으며 향후 10년 내 양자 인터넷 프로토타입 개발을 목표로 제시 ※ 4개의 연구방향 우선순위(Priority Research Directions)와 5개의 로드맵 마일스톤(Roadmap Milestones) 정리 - 아울러 양자역학을 활용해 정보를 더 안전하게 공유하고 차세대 컴퓨터와 센서를 연결하는 두 번째 인터넷 개발에 초점 - 이를 위해 미국 전역에 흩어져 있는 17개 국립 연구소가 양자 인터넷 구축의 핵심 역할을 담당하고 정부의 자금 지원도 확대 전망 이미 올 2월 일리노이주 DOE 아르곤 국립연구소(ANL)와 시카고대학 연구진은 시카고 외곽지역에서 양자 인터넷 네트워크 구축에 성공하며 글로벌 연구 허브로 주목 - 52마일 거리에 큐빗 얽힘을 구현해 세계에서 가장 긴 지상 양자 인터넷 네트워크를 확립했으며 조만간 일리노이주 페르미랩(Fermilab)에 연결해 80마일 길이의 테스트베드를 조성할 계획 - 아르곤 국립연구소는 미 전역의 양자 인터넷 구축 문제를 해결하며 과학자･엔지니어의 막강한 역량을 활용하기 위해 협력을 확대해 나가고 있다고 언급

출처 : https://now.k2base.re.kr/portal/trend/mainTrend/view.do?poliTrndId=TRND0000000000039899&menuNo=200004

□ 회계감사원(GAO)은 양자 컴퓨팅과 양자 통신의 기술 발전 현황과 활용 가능성을 살펴보고, 양자 기술의 혜택을 확대하고 문제점을 줄이기 위한 정책적 고려 사항을 제시하는 기술 평가 보고서 발표*(’21.10.) * Quantum Computing and Communications: Status and Prospects ＊ 회계감사원(GAO)은 (1) 양자 컴퓨팅과 양자 통신 기술의 활용 가능성, (2) 양자 기술의 잠재적인 활용 방안과 혜택, 문제점을 살펴보고, (3) 양자 기술 발전에 영향을 줄 수 있는 요인과 정책 옵션을 살펴보기 위해 기술 평가 수행 - 양자 기술의 잠재력을 인식한 학계와 기업, 정부는 양자 R&D를 적극적으로 추진하고 있으며, - 1998년 3큐빗의 자기 공명 장치, 2010년 14큐빗의 얽힘 상태, 2019년 53큐빗의 초전도 양자 컴퓨팅 시스템, 2020년 76큐빗의 광자 기반 시스템 개발에 이어 2023년에는 1,000큐빗의 기기가 개발될 예정 º 일부 양자 컴퓨팅과 통신 기술은 제한적으로 활용되고 있지만, 상업적인 가치를 제공할 정도로 기술이 발전하기 위해서는 최소 10년 동안 수십억 달러의 비용이 투자되어야 할 것으로 전망 º 회계감사원(GAO)은 양자 컴퓨팅과 통신 기술의 발전과 활용을 위해 중요한 4가지 요소를 (1) 협력, (2) 인력, (3) 투자, (4) 공급망으로 파악 - 정책 입안자가 이러한 요소에 대응하고, 혜택을 확대하며, 문제점을 줄이기 위해 고려할 사항 제시 (1) 협력 진흥 - 정책가는 양자 기술 발전에 중요한 다양한 학술 분야(예-물리학, 소재 공학, 기계 공학), 사회 부문(예-정부, 학계, 민간 기업, 하드웨어 제조사, 잠재적 최종 사용자), 국가 간 협력을 촉진하여야 함 (2) 양자 기술 인력 확대 - 정책가는 기존의 프로그램을 활용하거나 새로운 프로그램을 신설하며, 일자리 훈련을 촉진하고, 국가 안보 리스크를 높이지 않는 국제적 인력의 적절한 고용을 촉진해 양자 기술 인력을 확대하는 방안을 고려하여야 함 (3) 투자 인센티브 및 지원 - 정책가는 특정한 결과물에 대한 맞춤형 투자, 양자 기술 연구 센터에 대한 지속적인 투자, 국민의 솔루션 제시를 유도하는 그랜드 챌린지 등을 통해 양자 기술 발전에 인센티브를 제공하거나 지원하는 방안을 고려하여야 함 (4) 강력하고 안전한 공급망 개발 - 정책가는 양자 기술을 위한 글로벌 공급 사슬의 문제점을 파악하고, 위협받는 공급 사슬 부문의 제조 역량을 강화해 강력하고 안전한 공급 사슬의 발전을 촉진하여야 함

출처 : https://now.k2base.re.kr/portal/trend/mainTrend/view.do?poliTrndId=TRND0000000000044434&menuNo=200004

□ 과학전문지 사이언스(Science)는 중국이 양자통신 위성 묵자(Micius)를 통해 세계 최초로 1,200km 거리의 지상기지 간 양자통신 성공을 보도(‘17.6.) ※ 양자역학은 양자가 관측되기 전 여러 상태가 확률적으로 겹쳐져있지만, 관측자가 측정을 시행하는 동시에 하나의 상태로 결정된 다고 해석 ○ 중국과학기술대학교의 연구팀은 지상 500km 상공에 있는 양자통신 위성 묵자(Micius)를 통해 얽힘 상태에 있는 양자를 더링하 (Delingha)와 리장(Lijiang)에 있는 지상기지로 보내는 것에 성공 - 600만 개의 양자 중 1개의 수신율은 기존의 지상 실험 결과에 비하면 훨씬 발전된 것이며, 미래 양자통신과 양자인터넷의 현실화 기반을 구축 < 양자 통신위성 묵자(Micius)의 양자통신 개념도 > ○ 중국 5년 내 실용적 양자통신 위성을 쏘아 올릴 계획이 있으며, 호주, 오스트리아, 유럽연합, 미국 등이 실험용 양자통신 위성을 발사할 계획임 - 중국의 국립우주과학센터는 더욱 강력하고 선명한 양자 빔을 전송할 수 있는 실용적인 양자통신 위성을 발사할 예정 - 오스트리아와 함께 대륙 간 양자 암호 키 분배 시도 및 티벳 소재 알리 관측소의 양자 상태를 양자통신 위성으로 순간 이동 시키는 연구를 계획 - 캐나다우주국은 최근 소형 양자 위성을 발사하기 위한 예산을 발표하였고, 유럽과 미국도 국제우주정거장 내 양자역학 실험을 제안 ○ 향후 양자통신 기술 및 양자통신 위성의 수가 증가로 이들 간의 세계적인 네트워크가 형성되면 전 세계 양자컴퓨터를 연결하는 양자인터넷이 구현될 전망

출처 : https://now.k2base.re.kr/portal/trend/mainTrend/view.do?poliTrndId=TRND0000000000031621&menuNo=200004

출처 : https://policy.nl.go.kr/search/searchDetail.do?rec_key=SH2_PLC20220285636

출처 : https://policy.nl.go.kr/search/searchDetail.do?rec_key=SH2_PLC20220288715

출처 : https://policy.nl.go.kr/search/searchDetail.do?rec_key=SH2_PLC20210274209

출처 : https://policy.nl.go.kr/search/searchDetail.do?rec_key=SH2_PLC20190233085

출처 : https://policy.nl.go.kr/search/searchDetail.do?rec_key=UH1_00000130436063