이 시스템은 도시바의 영국 캠브리지 연구소 연구원들과 캠브리지 대학 엔지니어들이 함께 개발했다. 약 100 피코세컨드(10**-10, 10의 마이너스 10승) 동안 스위칭이 가능한 검출기 덕분인데, 양자 신호를 효과적으로 감지하고 대부분의 배경 노이즈를 걸러내기 위한 것이다.

대부분 양자 정보 시스템의 응용은 수십 년 뒷일 것으로 예상되지만, 스위스의 여러 은행 등을 포함, 일부 기관들에서는 이미 양자 암호화 기술을 이용하여, 통신 보안을 확실하게 하고 있다.

양자키 배포(QKD, Quantum Key Distribution)는 통신 쌍방(보통 관례상 주고 받는 측을 엘리스와 밥이라고 한다.)이 암호 키를 교환할 수 있도록 한다. 암호 키는 데이터를 암호화하고 다시 복호화하는데, 중간에 제3자(보통 이브라고 부른다.)가 가로채지 못하도록 해야 한다.

이것을 보장하는 것이 가능한데, 키가 양자 비트(큐비트)로 전송되기 때문이다. 만일 중간에 제3자가 가로채어 암호 키를 읽었다면, 큐비트가 비가역적으로 변하고, 엘리스와 밥에게는 이브가 암호 키를 훔쳐봤고 따라서 사용하지 못한다고 통보하게 된다.

상용 QKD(양자키 배포) 시스템은 광자를 큐비트로 사용한다. 광자는 광섬유 속을 양자적 특성을 잃지 않고 장거리 여행할 수 있기 때문이다. 그러나 상용 통신 광섬유 속에는 더욱 강렬한 데이터 신호가 보내지면서 생성되는 무작위 광자들로 이루어진 배경 노이즈가 있어 그 가운데에서 큐비트 광자를 뽑아내는 것은 어렵다. 해결책 중 하나는 "암흑 광섬유"(dark fibre)를 사용하는 방법인데, 통신용 데이터 신호를 보내지 않는 광섬유를 말한다. 불행하게도 암흑 광섬유를 빌리거나 신규로 설치하는 것은 매우 비용이 든다.

정밀한 타이밍

도시바와 캠브리지 연구원들이 한 일은 배경 노이즈를 걸러내고 큐비트 광자를 골라내는 방법을 찾는 것이었다. 도시바의 질리앙 위안(Zhiliang Yuan)과 앤드류 실즈(Andrew Shields)가 캠브리지의 동료들과 함께 개발했는데, 이 계획에는 큐비트 광자를 30 피코세컨드 이내로 생성하는 엘리스가 포함된다. 광자는 광섬유를 통해서 90 킬로미터 떨어져 있는 밥에게 보내지는데, 밥은 예상 도착 시간에 맞춰 자신의 검출기를 단 100 피코세컨드 동안만 켜서 광자를 감지해 낸다.

광섬유에는 노이즈 광자가 잔뜩 있지만, 대부분의 무작위로 도착하는 노이즈 광자들은 이렇게 짧은 순간에는 검출기에 도달하지 못한다고 위안이 설명한다. 밥은 같은 광섬유 상에서 작동하는 타이밍 시스템 덕분에 엘리스의 광자를 정확히 어느 순간에 찾아야 할지를 안다. 상용 다이오드 레이저에 기반을 둔 시각 신호는 엘리스에게서 밥으로 보내지고, 밥으로 하여금 큐비트 광자가 도착하는 시각을 10 피코세컨드 이내로 정확하게 알아낼 수 있도록 한다.

연구팀은 보통의 광섬유를 가지고 시스템을 테스트했다. 보통의 통신 데이터를 1 Gbps 속도로 광섬유 양방향으로 전송하여 배경 노이즈를 생성했다. 노이즈에도 불구하고 연구팀은 양자키를 500 Kbps 속도로 50 킬로미터 길이의 광섬유 다발 끝까지 전송할 수 있었다. 이는 이 정도 거리에서 이제껏 가장 빠른 속도의 5만 배 빠른 것이다. 연구팀은 또한 양자키를 거의 8 Kbps 속도로 90 킬로미터까지 보낼 수 있었다. 이는 실제 사용 중인 통신 광섬유 상에서 가장 긴 거리였다.

대도시 네트워크용으로 완벽하다.

아직 이 정도 거리로는 대양이나 대륙을 가로질러 양자 통신을 하기에는 충분하지 않지만, 90 킬로미터는 대도시 네트워크용으로는 충분하다. 위안에 따르면 캠브리지 연구원들은 지금 일본의 동료들과 함께 시스템의 성능을 개선하기 위하여 엄격한 현장 테스트를 수행하기 위하여 작업 중이라고 한다.

QKD 뿐만 아니라 시간적(temporal) 필터링 기술은 또한 양자 정보 시스템의 응용 분야에 사용할 수 있는데, 이 경우 약한 양자 신호가 같은 통신 매체 내에서 강렬한 데이터 신호와 공존해야 한다. 예를 하나 들자면 분산 양자 정보 처리 및 컴퓨팅이 있다.<출처 : 피직스월드닷컴>