양자 물리의 개념 정립

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양자 물리의 개념 정립

KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 2011-12-06

앨리스(Alice)와 밥(Bob)은 헤어져 가능한 멀리 떨어져 살고 있다. 그러나 여전히 명확히 정리될 부분이 남아 있다. 즉, 누가 자동차를 소유하는가의 문제이다. 이러한 문제는 전화 상으로 동전을 뒤집어 결정하는 것과 같이 간단히 해결될 수는 없다. 믿음과 진실이 존재하지 않으며, 서로의 결과에 대해 믿지도 않는다. 최근 캐나다 및 스위스 연구진은 Nature communication에 표준 통신 방식을 능가하는 형태로 통신 업무를 수행할 수 있는 광 입자인 광자(photon)를 사용하는 양자 물리의 관점에서 동전을 뒤집어 의사 결정하는 개념을 보고하였다. 연구진의 방식을 이해하기 위해선 금고를 이용한 개념 설명이 도움된다. 밥이 동전 하나를 던져 앞면인지 혹은 뒷면인지의 결과를 금고에 숨겨 보낸다. 밥의 금고를 받은 앨리스는 밥에게 자신의 동전 결과를 보낸다. 일단 밥이 결과를 받으면 금고를 열 수 있는 열쇠를 앨리스에게 보낸다. 그렇게 되면 앨리스와 밥 모두는 서로의 동전 결과를 알 수 있으며,누가 자동차를 가져야 하는지에 관해 서로의 동의에 의해 수립된 규칙을 따를 수 있게 된다. 금고 대신에 통신에 사용되는 전자 비트로 구성된 영역에서 물리적 금고는 메일 상의 암호화로 대체된다. 이러한 절차는 깨뜨리기 어려운 것으로 생각되었었다. 하지만, 그 누구도 이것이 정말로 안전한지의 여부는 알 지 못한다. 앨리스는 밥의 열쇠를 기다리지 않고 밥의 금고를 해체함으로써 비밀을 읽은 후 앨리스 자신이 자동차를 소유하는 방식으로 자신의 동전 결과를 선택하는 속임수를 쓸 수 있다. 그러나, 양자 통신에서는 전혀 다른 이야기이다. 연구진이 수행한 일은 앨리스와 밥간의 통신 동안 광자가 손실될 지도 모르는 사실을 사기꾼이 이용할 수 없도록 양자 동전 뒤집기를 최초로 구현한 것이다. 이전의 모든 양자 통신 방식은 사기꾼에 의해 공격당할 수 있었다. 금번 연구에서 양자 동전은 5 km 떨어진 두 장소에서 각각 던져졌다. 전자 비트 대신 양자 비트를 교환하는 것은 단일 광자의 양자 상태를 완벽히 결정하는 것이 불가능하다는 자연의 성질에 입각한 프로토콜을 연구진은 이용하였기 때문에 예기치 못한 사기 행각을 방지할 수 있다. 하지만 불행히도 양자 영역에서 조차도 일정 거리에서 동전 뒤집기는 완벽하지 못하다. 즉, 어느 정도의 속임이 여전히 가능하다. 하지만, 어느 쪽도 100%로 확신할 수 있는 최종 결과를 고수할 수 없으며, 만약 속임수를 쓰려고 계획하였을 지라도 속임수에 따르는 위험이 수반된다.  fig_15.jpg 출처 : http://www.physorg.com/news/2011-11-car-tossing-quantum-coins-closer.html