얽힘(Entanglement)을 기반으로 한 양자통신

얽힘(Entanglement)을 기반으로 한 양자통신은 두 입자(예: 광자)가 공간적으로 멀리 떨어져 있어도 서로 연결된 상태를 유지하며, 한쪽의 상태를 측정하면 다른 한쪽의 상태도 즉시 결정되는 양자역학의 특수한 현상을 활용한 통신 방식입니다.

이 방식은 양자 통신의 궁극적인 목표인 양자 네트워크, 양자 중계기, 양자 인터넷 구현의 핵심 기술이며, 기존의 BB84와 같은 단일광자 기반 QKD보다 더 강력한 보안성, 장거리 통신 가능성을 제공합니다.

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🔷 얽힘 기반 양자통신 (Entanglement-based Quantum Communication) 상세 설명

✅ 1. 얽힘(Entanglement)이란?

● 정의:

두 개의 양자 입자(광자, 전자 등)가 한 시스템에서 생성되면, 이들의 상태는 개별적으로 정의되지 않고, 전체 시스템으로만 정의됩니다.

예:

∣Ψ⟩=12(∣H⟩A∣V⟩B+∣V⟩A∣H⟩B)|\Psi\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(|H\rangle_A |V\rangle_B + |V\rangle_A |H\rangle_B)

• 여기서 ∣H⟩|H\rangle: 수평 편광, ∣V⟩|V\rangle: 수직 편광
• 측정하기 전까지 A와 B는 동시에 H 또는 V 상태일 가능성이 중첩됨
• A의 상태가 측정되는 순간, B의 상태가 즉시 결정됨 (공간적으로 멀리 떨어져 있어도)

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✅ 2. 얽힘 기반 양자통신의 작동 방식

📌 기본 개념:

• **송신자(Alice)**와 **수신자(Bob)**는 같은 광자쌍 중 하나씩을 나눠 가짐
• 이 광자쌍은 **얽힌 상태(entangled state)**로 생성됨
• 두 광자를 아무리 멀리 떨어뜨려도, 한쪽을 측정하는 순간 다른 쪽의 상태도 즉시 정해짐
• 도청자가 끼어들 경우, 얽힘의 상관관계가 깨짐 → 보안 침해 즉시 감지

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✅ 3. 대표 프로토콜: E91 (Ekert 1991)

📘 작동 원리 요약:

1. 중앙 노드에서 얽힌 광자쌍을 생성 (SPDC 방식 등)
2. 한 광자는 Alice에게, 다른 하나는 Bob에게 전송
3. 두 사용자는 각자 임의의 측정 기저를 선택하여 측정
4. 측정 결과를 비교하여 Bell 불평등(Bell’s Inequality) 위반 여부 확인
5. 위반 시, 두 입자는 얽힘 상태 유지 → 보안 통신 가능
6. 위반이 없다면 → 도청 의심, 통신 폐기

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✅ 4. 주요 기술 요소

구성 요소 설명

광자 얽힘 소스	Spontaneous Parametric Down-Conversion (SPDC) 방식으로 쌍생성
편광/위상/시간 얽힘	다양한 물리적 자유도를 얽힘에 활용 가능
Bell 측정	얽힘 상태 유무를 확인하기 위한 양자 상관성 검증
광 채널	자유공간, 광섬유, 위성 링크 등 가능
도플러 보정, 동기화 회로	얽힘 보존을 위한 정밀 시간 동기화 필요

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✅ 5. 얽힘 기반 QKD vs 일반 QKD 비교

항목 일반 QKD (BB84 등) 얽힘 기반 QKD (E91 등)

광자 생성	송신자가 직접 상태 설정	중앙에서 얽힌 광자쌍 생성
키 생성 방식	송신자가 상태를 전송 → 수신자가 측정	수신자 쌍방 모두 측정값을 비교하여 키 생성
도청 탐지	QBER 기준	Bell 불평등 위반 여부로 감지
장거리 통신	광섬유 손실 제한 (200km 이내)	중간 얽힘 중계기 활용 시 수천 km 가능
양자 중계기	필요 없음 (단거리)	양자 중계기(quantum repeater) 필수

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✅ 6. 응용 분야

분야 설명

위성 양자통신	얽힌 광자를 위성↔지상으로 전송하여 대륙 간 QKD 실현
양자 네트워크	얽힘 기반 노드 간 연결로 양자 인터넷 구현
양자 중계기 (Quantum Repeater)	광손실 극복 위해 얽힘 분포 + 양자 메모리 조합
분산 양자컴퓨팅	얽힘 상태로 원거리 양자 시스템 간 계산 공유

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✅ 7. 시각적 요약 – 얽힘 기반 통신 흐름

[ 얽힘 광자쌍 생성기 ]
        │
   ┌────┴────┐
   │         │
[Alice]   [Bob]        ← 각각 얽힌 광자 1개씩 수신
   │         │
 측정       측정        ← 무작위 기저 선택
   │         │
   └────┬────┘
        ▼
  Bell 불평등 확인 → 위배 O → 키 생성 / 위배 X → 도청 의심

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✅ 정리 요약

항목 설명

얽힘 상태	측정 전까지 상태가 결정되지 않으며, 한쪽 측정 시 다른 쪽도 즉시 결정됨
주요 장점	도청 탐지 강화, 양자 중계기 도입 가능, 미래형 양자 네트워크 기반
기술 난이도	얽힘 소스 정밀도, 장거리 전송 안정성, 동기화 기술이 핵심
보안 메커니즘	Bell 불평등 위반 여부를 통한 도청 탐지 및 상태 검증

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필요하시면:

• SPDC 기반 얽힘 광자 생성 회로,
• 위성 얽힘 통신 시나리오,
• 양자 중계기 구성 원리 등도 이어서 설명해드릴 수 있습니다.