양자 리피터(Quantum Repeater)의 원리와 최신 연구 동향

 

1. 양자 리피터의 필요성과 작동 원리

고전적 통신에서는 중계기(리피터)가 신호를 증폭하거나 재전송하여 장거리 전달을 가능하게 합니다. 그러나 양자 통신에서는 정보가 **양자 상태(큐비트)**로 표현되며, 임의로 복제하거나 측정할 수 없습니다aliroquantum.com. 이는 **복제 불가능 정리(no-cloning theorem)**로 알려져 있으며, 양자 상태를 중간에서 측정해버리면 정보가 소멸해버리기 때문입니다. 따라서 고전적 리피터와 달리, 양자 채널에서 신호를 증폭하거나 복제하는 방식은 통하지 않습니다aliroquantum.com. 더욱이 광섬유 등을 통한 양자 통신에서는 채널 길이에 따라 광자 손실과 **디코히런스(decoherence)**가 지수적으로 증가하여, 약 50~100 km 정도가 지나면 직접적인 양자 얽힘 분포는 거의 불가능해집니다postquantum.com. 실제로 광통신 대역(1550 nm) 광섬유의 감쇠는 약 0.2 dB/km 수준이어서, 수백 km 전송 시 두 입자가 모두 살아남을 확률이 극히 낮아집니다postquantum.compostquantum.com. 이런 한계 때문에 양자 리피터 기술이 필수적으로 대두되었습니다.

양자 리피터를 이용한 얽힘 스와핑(entanglement swapping) 개념도. 긴 거리의 두 노드(빨간 구체) 간 직접적인 양자 연결은 광자 손실 때문에 실패(위, 빨간 X)하지만, 중간에 양자 리피터(분홍 노드)를 두고 여러 구간으로 나누어 얽힘을 생성한 뒤 스와핑으로 연결하면 장거리 얽힘 공유에 성공할 수 있다(아래, 초록 체크표시).

양자 리피터는 직접 양자 상태를 중계하지 않고, **“얽힘 분포(entanglement distribution)”**라는 방식을 활용합니다aliroquantum.comaliroquantum.com. 여기서 중간 노드들은 각각 인접한 구간에 얽힌 광자쌍을 생성하여 보유하고 있다가, 이들을 연결(스와핑)함으로써 최종적으로 멀리 떨어진 노드들 간에 얽힘을 확립합니다aliroquantum.comaliroquantum.com. 예를 들어 알리스(Alice)와 밥(Bob)이 매우 먼 거리에 있을 때, 단일 구간으로는 얽힌 광자가 도달하지 못하지만 중간에 노드(예: 중계기 노드 Charlie)를 추가하여 Alice–Charlie, Charlie–Bob 구간별로 얽힘을 만든 후, Charlie에서 **벨 상태 측정(Bell-state measurement)**을 수행하면 Alice와 Bob 사이에 새로운 얽힘이 생성됩니다aliroquantum.comphysicsworld.com. 이 과정을 얽힘 스와핑이라고 부르며, 양자 텔레포테이션 원리를 활용하여 두 구간의 얽힘을 “이어붙이는” 역할을 합니다physicsworld.com. 요컨대, 양자 리피터는 여러 짧은 구간에서 생성된 얽힘을 계단식으로 연결함으로써 장거리 얽힘을 실현하는 장치입니다.

하지만 얽힘 스와핑을 통해 장거리 얽힘을 얻으려면 각 구간에서 동시에 얽힘이 존재해야 합니다. 현실적으로 원거리 얽힘 생성은 확률적으로 성공하므로, 한 구간의 얽힘을 얻었더라도 다른 구간의 얽힘이 만들어질 때까지 유지해야 합니다. 이를 위해 **양자 메모리(quantum memory)**가 핵심적으로 도입됩니다postquantum.com. 양자 메모리는 광자나 스핀 등의 형태로 얽힘 상태를 저장해 두는 장치로, 일종의 양자 버퍼 역할을 합니다. 예를 들어, 세 구간으로 나눈 양자 네트워크에서 첫 번째 구간이 얽힘 생성에 성공하면 그 상태를 메모리에 저장해 두고, 나머지 구간들이 성공할 때까지 양자 상태의 위상을 잃지 않고 (결맞음 유지) 보존하는 식입니다postquantum.compostquantum.com. 각 구간이 모두 얽힘 쌍을 확보하면 중계 노드에서 벨 상태 측정을 수행하여 끝단 노드들 간에 얽힘을 스와핑하게 됩니다postquantum.compostquantum.com. 양자 메모리가 없다면 먼저 생성된 얽힘은 다른 구간이 성공할 때까지 채널 손실이나 환경 노이즈로 소멸(decoherence)되어 버리므로, 사실상 장거리 분포는 불가능합니다postquantum.com. 따라서 긴 수명의 양자 메모리는 양자 리피터의 필수 요소로 꼽힙니다.

정리하면, 고전적 리피터는 신호를 측정-복제하여 증폭하지만, 양자 리피터는 얽힘 생성→헤럴딩(성공 신호 고전전송)→양자 메모리 저장→얽힘 스와핑 등의 과정을 통해 측정 없이 양자 상태(얽힘)를 중계합니다. 이로써 수백 km 이상의 양자 통신망을 구축할 수 있는 기반을 제공합니다aliroquantum.compostquantum.com.

 

2. 양자 리피터의 기술 구성 방식

 

 

양자 리피터는 구현 방식에 따라 1세대부터 3세대까지의 발전 단계로 구분됩니다. 각 세대는 **채널 손실(광자 손실)**과 **운용 오류(양자 게이트 오류 등)**를 처리하는 방식에서 차이가 있습니다aliroquantum.com. 아래는 세대별 양자 리피터의 개념과 주요 기술을 정리한 것입니다.

• 1세대 양자 리피터 (직접 측정형): 비교적 오류율이 높은 초기 양자소자들을 가정하여, 양방향 고전 통신을 통해 오류를 보정하는 방식을 씁니다. 각 구간에서 헤럴딩(heralding) 신호 – 즉 성공 여부를 알리는 고전적 확인 신호 – 를 주고받으며 얽힘 생성을 반복 시도하고, 충분한 품질의 얽힘 쌍이 확보될 때까지 다수의 얽힘을 만들어 **얽힘 정제(혹은 증류)**를 수행합니다aliroquantum.com. 예를 들어 여러 쌍의 얽힘 중 일부를 측정하여 버리고 남은 한 쌍의 fidelity를 높이는 얽힘 정제(purification) 프로토콜이 동작하며, 이 모든 과정에 고전 통신으로 성공 여부를 알려 동기화합니다aliroquantum.comaliroquantum.com. 1세대 방식은 현재 연구진들이 구현을 목표로 하는 가까운 미래형으로, 메모리를 이용한 얽힘 스와핑과 정제를 통해 채널 손실과 오류를 보정하지만 반복적인 시도와 신호 대기로 인한 대역폭 저하(통신 속도 감소)가 단점입니다aliroquantum.com. 거리와 구간 수가 늘어날수록 매 단계마다 대기 시간이 누적되어 전체 통신률이 떨어지게 됩니다.
• 2세대 양자 리피터 (부분 오류 보정형): 하드웨어 성능이 향상됨에 따라, 양자 오류 정정(QEC) 개념 일부를 도입하여 운용 오류를 정정하고 양자 상태를 보다 정밀하게 유지하는 접근입니다aliroquantum.com. 2세대에서는 얽힘 정제를 반복하는 대신, 여러 개의 얽힘 쌍을 양자 오류 정정 코드로 묶어 하나의 고품질 얽힘을 논리적으로 인코딩하는 방식을 씁니다aliroquantum.com. 이렇게 하면 1세대처럼 매 성공마다 일일이 대기하며 확인할 필요 없이 일방향 통신에 가깝게 운영할 수 있어 대역폭을 높일 수 있습니다aliroquantum.com. 다만 오류 정정을 적용하려면 높은 초기 얽힘 품질과 정밀한 양자 게이트가 필요하므로, 현재의 기술 수준에서는 구현이 어려운 점이 있습니다aliroquantum.com. 2세대 리피터는 광자 손실에 대해서는 여전히 취약해서, 일정 수준의 헤럴딩(특히 얽힘 생성 성공 여부 전달)은 필요할 수 있지만, 양자 연산 오류로 인한 상태 열화를 코드로 보정함으로써 1세대 대비 성능을 향상시킵니다.
• 3세대 양자 리피터 (완전 오류 보정형): 궁극적으로는 완전한 양자 오류 보정 기술이 접목된 양자 리피터로 발전합니다aliroquantum.com. 이 세대에서는 광자 손실마저도 양자 오류 정정으로 보완하여, 초기부터 논리적(qubit) 상태를 다중 큐비트에 인코딩한 뒤 순방향(one-way) 방식으로 통신을 수행합니다aliroquantum.com. 즉, 더 이상 구간별 얽힘 성공을 확인하는 왕복 신호(헤럴딩)가 필요 없으며, 손실과 오류를 모두 자동으로 정정하면서 연속적인 양자 통신이 가능합니다aliroquantum.com. 3세대 리피터가 실현되면 마치 고전 인터넷의 패킷 라우터처럼 양자 정보도 실시간 대용량으로 중계할 수 있을 것으로 기대됩니다. 그러나 이를 위해서는 한 노드에 다수의 물리적 큐비트가 필요하고, 현재보다 몇 등급 높은 정밀 제어가 가능해야 하므로 장기적인 연구 과제입니다aliroquantum.comaliroquantum.com.

각 세대별 구현 방식에 상관없이, 공통적으로 해결해야 할 기술 과제들이 있습니다:

• 양자 메모리 성능: 메모리의 역할과 수명이 가장 큰 이슈입니다. 메모리는 충분히 오래 유지되어야 할 뿐 아니라, 필요할 때 온디맨드로 얽힘을 방출할 수 있어야 합니다. 현재 실험에서 수십 밀리초수 초 수준의 메모리 코히런스 시간이 시연되고 있는데, 이를 장거리 통신에 활용하려면 수백 km에 해당하는 광 통신 지연(마이크로초밀리초)보다 길어야 합니다english.cas.cn. 2024년 중국 연구진은 원격 노드 간의 얽힘 상태를 메모리에 저장한 채로 노드 사이 왕복 통신 시간 이상 유지하는 데 성공하여, 멀티 노드 양자망 구성을 시연하였습니다english.cas.cn. 이처럼 긴 수명과 높은 준위의 양자 메모리를 확보하는 것이 핵심 과제입니다.
• 효율적인 얽힘 생성 및 다중화: 채널 손실을 극복하려면 높은 광자 발생률과 수신 효율이 필요합니다. 이를 위해 다중화(multiplexing) 기술이 사용됩니다. 예를 들어 여러 파장대의 광자쌍을 동시에 보내거나, 여러 메모리 모드를 병렬로 활용하여 동시에 여러 얽힘 시도를 하는 방식입니다. 하나라도 성공하면 나머지는 버리고 빨리 다음 단계로 진행함으로써 속도를 높일 수 있습니다aliroquantum.com. 또한 메모리나 광원의 동작을 정교하게 동기화하고, 필요하면 **광자 신호의 파장을 변환(테라헤르츠/광자 변환)**하여 손실이 적은 파장대로 통신하는 기술 등도 요구됩니다. 최근 연구에서는 초저손실 광자 전송 매체로 공진기 내부 진공광로(VBG, vacuum beam guide) 등을 제안하여, 중계기 간격을 늘리고 노드 수를 줄이는 아이디어도 등장했습니다arxiv.orgarxiv.org.
• 다중 노드 간 동기화 및 신뢰성: 양자 네트워크에서는 여러 중계 노드들이 정확한 타이밍에 동작해야 합니다. 수십 km가 넘는 거리를 다룰 때는 시계 동기화와 위상 안정화가 중요한데, 펨토초 단위의 고정밀 시간 동기 기술과 광섬유의 편광 모드 분산 보상 등이 필수적입니다nist.gov. 2024년 NIST 연구에서는 White Rabbit 프로토콜과 같은 정밀 시계 동기 기술을 이용해 100 km 광섬유에서 양자신호와 고전신호를 동시 전송하며 채널 위상 변동 보정을 실현한 바 있습니다nist.govnist.gov. 이처럼 먼 거리에서는 환경 변화에 따른 위상 변화, 진동, 온도 변화 등으로 인한 채널 불안정성을 실시간 보정하고, 노드 간 Bell 측정의 성공 이벤트를 신뢰성 있게 판단하는 체계가 요구됩니다.

이 외에도 양자 메모리-광자 인터페이스 효율 개선, 다자간 양자 프로토콜(예: 양자 라우팅) 등의 연구도 진행 중이며, 궁극적으로는 이러한 기술들이 모두 어우러져야 스케일 업(scale-up) 된 양자 인터넷 구축이 가능해질 것입니다.