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동향 상세정보

기기에 무관한 양자 난수 생성기를 실현한 중국과학자들

Device-independent quantum random-number generation

2018-09-23

최근에, 중국 과학 기술 대학의 반건위 (潘建伟,Pan Jianwei)교수와 그의 동료인 장강(张强,Zhang Qiang), 범정운(范靖云、 Fan Jingyun), 마웅봉(马雄峰, Ma Xiongfeng)은 중국 과학원의 상하이 마이크로 시스템 정보 기술 연구소와 일본 NTT 기초 과학 연구소와 협력하여 고품질의 양자 얽힘 광원과 고효율 단일 광자 검출기를 개발했다. 양자 얽힘의 본질적인 무작위성에 기초하여, 장치에 무관한인 양자 난수가 세계에서 처음으로 성공적으로 실현된 것이다. 관련 연구 결과는 9 월 20 일, 네이처 (Nature) 지에 온라인으로 게재되었다. 이 업적은 수치 시뮬레이션 및 암호학과 같은 분야에서 널리 사용되며 난수에 대한 새로운 국제 표준을 형성 할 것으로 예상된다.  난수는 과학 연구 및 일상 생활에서 중요한 응용 분야이다: 예를 들어, 일기 예보, 신약 개발, 신소재 설계 및 핵무기 개발과 같이 종종 수치 시뮬레이션이 필요하며 수치 시뮬레이션의 핵심은 많은 수의 무작위 숫자 입력, 게임 및 인공 지능 분야에서는 시스템의 발전을 제어하기 위해 무작위 숫자가 필요하며, 통신 보안 및 현대 암호화 분야에서는 보안의 기초로 제 3 자에게 완전히 알려지지 않은 난수가 필요하다.

과거에는 소프트웨어 알고리즘이나 고전적인 열잡음을 기반으로 임의의 숫자를 얻는 두 가지 방법이 있었다. 소프트웨어 알고리즘에 의해 구현되는 난수는 입력된 난수씨앗을 기반으로 균일하게 분포된 출력을 제공하는 알고리즘이다. 그러나 주어진 입력에 대해 고정 알고리즘은 결정된 출력을 제공한다. 이러한 관점에서 볼 때 이러한 난수는 본질적으로 결정적이며 진정으로 무작위가 아니라고 할 수 있다. 고전적인 열 잡음을 기반으로 하는 난수 칩은 현재의 물리적 환경에서 잡음을 읽고 이에 따라 난수를 얻는다.

그러나 뉴톤 역학의 틀에서, 난수에 영향을 미치는 변수의 수가 매우 많더라도 각 변수의 초기 상태를 결정한 후에는 전체 시스템의 작동 상태와 출력을 원칙적으로 예측할수 있기 때문에 이러한 유형의 장치도 결정론적인 과정에 기초한 것이며 단지 더 예측하기 어려운 난수(pseudo random number)를 제공한다는 것이라고 할 수 있다.

양자 역학의 발견은 근본적으로 이러한 국면을 변화시켰다. 왜냐하면, 기본적인 물리과정은 전통물리에서 갖는 내재적 무작위성을 갖기 때문에 그리고 진정한 난주를 제조할 수 있는 것이다.

   양자 역학의 내재적인 확률적 특성은 양자 역학의 초기부터 아인슈타인, 슈뢰딩거, 와인버그와 같은 물리학 자들을 심하게 괴롭게 하던 문제이다. 아인슈타인은 "신은 주사위를 굴리지 않는다"고 확고하게 믿었다. 그는 더 확실한 이론이 있어야 한다고 믿었다. 양자 역학은 단지 이론의 근사치이며, 양자 역학의 본질적인 임의성은 사람들이 이 이론에 대해 대해 이해하지 못해 생긴 오해 때문이다. 아인스타인과 슈뢰딩거는 양자 상태의 양자 얽힘이라는 이상한 개념을 사용하여 양자 역학의 불완전성과 양자 무작위성을 보여주려고 했다. 보어 (Bohr)가 이끌고 있던 코펜하겐 학파 (Copenhagen School)는 양자 무작위성을 방어하고 양자 역학의 기초가 완벽하다고 생각했다. 두 학교는 30 년 동안 논쟁을 벌였으나 당시 두 개념은 실험적으로 엄격하게 정확하게 예측하지 못했으며, 모든 주장은 철학적 수준으로 제한되었다. 1964 년에 이르러 미국의 물리학자인 벨 (Bell)은 양자 얽힘 (quantum entanglement)을 통해서 양자역학과 지역확정성 이론에 대해 측정 결과가 다른 결과를 예측한다는 것을 발견했다. 이러한 특성을 이용하여, Bell의 실험 테스트를 수행하여 양자 역학의 기초가 완전한지 양자 무작위가 존재하는지 여부를 결정할 수 있게 되었다.

   Bell의 이론이 발표된 지 수십 년 후 세계 여러 국가의 많은 연구 그룹이 많은 실험을 수행했으며 양자 역학과 양자 무작위에 관련된 실험이 진행되었다. 그러나 지금까지 해결해야 할 두 가지 취약점이 있는데 그것은 자유선택의 헛점과 붕괴될 특정 지역이라는 헛점이 바로 그것이다.

반건위팀은 양자 역학의 기본 실험을 오랫동안 해오고 있으며, 이 두 가지 취약점에 대해 관찰자의 자체 선택과 먼 별의 발광에 의해 생성된 난수를 사용하여 올해는 관찰자 참여 하에서 벨 테스트를 진행하였다. 이 기사는 Physical Review Letter [Phys. Rev. Lett. 120, 140405 (2018)], [Phys. Rev. Lett. 21, 080404 (2018)] 및 Nature [Nature 557, 212 (2018)]에 게재되었다. )] 그리고 최조적으로 무헛점 벨테스트를 실현하여 견고한 과학 및 기술 기반을 제공하였다.  벨실험과 양자의 내재적 확률론 사이에는 깊은 상관 관계가 존재하여 벨 실험의 입증은 국부화된 확실성 이론을 근본적으로 제거하여 장치에 무관한 양자 난수를실현한다는 것은 중요하고 흥미로운 것이다. 이러한 종류의 난수 생성기는 가장 안전한 난수 생성 장치로 간주되며, 악의적인 제 3자가 만든 구성 요소를 사용하거나 도청자가 가장 강력한 양자 컴퓨터를 가지고 있어도 생 성된 난수를 예측하거나 알 수 없다. 그래서 현재 국제적으로 이러한 난주 생성기를 제조하고자 하는 연구가 진행되고 있고, 미국 표준국 (NIST, National Bureau of Standards)에서는 기기에 무관한 양자 난수 생성기를 사용하여 차세대 난수 국가 표준을 개발할 계획을 가지고 추진하고 있다.

   장치 독립적 인 양자 난수 생성기의 실현은 실험에서 매우 높은 기술적 과제를 안고 있다. 모든 난수 생성 장치 세트는 매우 높은 효율로 얽힌 광자를 생성, 전송, 변조 및 감측을 해야 하는 것이다. 동시에 여러 구성 요소 간에 설치에 맞는 공간 거리 요구 사항이 맞아야 한다. 그 때에야 비로서 최고의 어떤 도청자가 내부 통신 위조를 통해 위조하지 못하여 벨 부등식 측정의 결과를 보장 할 수 있다.

반건위오 장강 연구 그룹은 Bell 실험의 이전 여러 실험중에 발전시킨 기술의 기초 위에, 3 년 이상의 노력 끝에 고성능 얽힌 광원을 개발했다. 첫째, 얽힌 광자 수집, 전송, 변조 등의 효율이 최적화되고 Shanghai Microsystems연구소에서 개발한 고효율 초전도 단일 광자 검출기를 채용하여 고성능 얽힌 광원의 고효율측정을 실현하였다 [Phys. Rev. Lett. 120,010503 (2018)].

그리고 고속 제어와 적절한 공간 거리 설계를 통해 기기와 무고나한 양자 난수 발생기에 필요한 공간 거리 요구를 만족했다. 그리고 마지막으로, 기기에 무관한 양자 난수 생성기를 세계 세계 최초로 구현하였다.

이 작업과 후속 작업은 암호화 및 수치 시뮬레이션뿐만 아니라 무작위 입력이 필요한 영역에 대한 신뢰할 수 있는 무작위적 소스를 제공하고 신뢰할 수 있는 난수 소스가 실제 상황에서 양자 통신 보안의 중요한 부분이기 때문에 장치에 무관한 난수의 생성은 실제 상황에서 양자 통신의 보안을 더욱 보장 할 수 있다.

앞으로 중국 과학 기술 대학 (China University of Science and Technology) 팀은 고속의 안정적인 장치에 무관한 양자 난수 생성 장치를 구축하고, 양자 얽힘과 무작위성을 기반으로 보안성이 높은 난수를 제공함으로써 새로운 세대의 난수 표준을 만들기 위해 노력할 것이다.

이 연구는 중국 과학원, 과학 기술부, 중국 자연과학기금단, 교육부, 안회성의 지원으로 이루어졌다.

관련연구자 Pan Jianwei; Zhang Qiang
관련기관 Shanghai Branch, National Laboratory for Physical Sciences at Microscale and Department of Modern Physics, University of Science and Technology of China, Shanghai, China;Shanghai Branch, National Laboratory for Physical Sciences at Microscale and Department of Modern Physics, University of Science and Technology of China, Shanghai, China
과학기술분류 물리학
본문키워드(한글) 양자 얽힘,난수,암호학
본문키워드(영문) quantum entanglement,random number,Cryptology
원문언어 중국어
국가 중국
원문출판일 2018-09-20
출처 https://www.nature.com/articles/s41586-018-0559-3