소식

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목차

1. 양자의 정의와 특성

1.1 양자 중첩

1.2 양자 얽힘

1.3 양자 결맞음

2. 양자우월시대가 온다

2.1 두 번째 양자 기술 혁명

2.2 글로벌 양자기술대회

3. 양자 컴퓨팅

3.1 양자컴퓨팅의 정의와 장점

3.2 양자컴퓨팅의 주요 기술 경로

3.3 양자컴퓨터의 개발 현황 및 기술적 어려움

3.4 양자컴퓨터의 응용

4. 양자통신과 보안

4.1 양자보안통신의 필요성

4.2 주요 양자보안통신 기술 개발 현황 및 어려움

4.3 양자통신망과 양자인터넷

4.4 양자통신의 응용

5. 양자 정밀 측정

5.1 양자정밀측정의 정의

5.2 양자정밀측정기술의 개발현황 및 어려움

양자 정밀 측정의 응용

6. 양자기술 투자 파노라마

6.1 양자컴퓨팅, 양자통신, 양자측정 기업맵

6.2 중국 주요 양자기술 기업 평가

1. 양자의 정의와 특성

양자는 미세한 세계의 입자를 설명하는 물리학의 기본 단위이며 에너지와 운동량의 개별 단위입니다. 양자는 전자와 같은 "하위"가 아닙니다. 고전 세계에서는 온도와 같은 다양한 물리적 현상이 지속적으로 변화합니다. 미시적 세계에서는 에너지의 상태가 에너지, 물리량 등의 조각으로 구성됩니다. 운동량은 무한히 작은 단위로 무한히 나눌 수 있고, 가장 작은 기본 단위가 하나 있는데, 바로 양자입니다. 미시적 세계에서 이러한 무한한 가분성을 양자화라고 합니다.

양자는 양자 중첩, 양자 얽힘, 양자 측정 등의 특성을 갖고 있습니다. 이러한 특성은 물리학에서 중요할 뿐만 아니라 양자 컴퓨팅, 양자 통신, 양자 측정 등 신흥 양자 기술 분야에서도 핵심적인 역할을 합니다. 양자역학의 이러한 독특한 특성은 우리에게 자연의 기본 법칙을 이해하고 활용할 수 있는 새로운 관점을 제공합니다.

1.1 양자 중첩

양자중첩이란 양자역학에서 중요한 개념으로, 여러 가능한 상태가 동시에 중첩된 상태에 있을 수 있는 양자계를 말한다. 고전 물리학에서 물체는 하나의 명확한 상태에만 있을 수 있지만, 양자 역학에서는 양자 시스템이 여러 가능한 상태의 선형 조합에 있을 수 있습니다. 이는 어떤 경우에는 양자 시스템이 동시에 여러 상태에 있을 수 있으며 측정 시 정의된 상태 중 하나로만 붕괴될 수 있음을 의미합니다.

양자중첩은 양자컴퓨팅과 양자정보의 기본이다. 양자중첩을 이용하면 양자병렬컴퓨팅이 가능하고 컴퓨팅 효율도 향상될 수 있다.

1.2 양자 얽힘

양자 얽힘은 양자 역학에서 특수하게 상호 연결된 현상입니다. 이는 두 개 이상의 양자 시스템이 상호 작용할 때 그 상태가 아무리 멀리 떨어져 있어도 한 시스템의 상태가 다른 시스템의 상태에 즉시 영향을 미친다는 것을 의미합니다. 이러한 연관성을 얽힘이라고 합니다.

얽힌 상태의 두 입자의 상관 상태는 측정되기 전에는 확립될 수 없습니다. 그러나 두 입자가 아무리 멀리 떨어져 있더라도 얽힌 상태가 파괴되지 않는 한 입자 중 하나가 측정되면 상태는 다음과 같습니다. 다른 입자도 그에 따라 결정됩니다. 양자 얽힘은 양자 연산을 위한 가장 효과적인 병렬 처리 방법을 제공할 뿐만 아니라, 양자 통신을 구현하는 데 필수적인 도구이기도 합니다. 환경 변화에 매우 민감하기 때문에 양자 얽힘을 사용하여 매우 정확하고 민감한 양자 센서를 만들 수도 있습니다.

1.3 양자 결맞음

양자 결맞음은 양자 시스템에서 원래 일관성(즉, 양자 상태의 간섭 및 중첩 특성)을 가졌던 상태가 특정 프로세스 또는 상호 작용 후에 이 일관성 특성을 잃는 것을 의미합니다. 양자 결맞음은 일반적으로 양자 상태를 더욱 고전적으로, 즉 고전 물리학의 상태에 더 가깝게 만듭니다.

양자 결어어어런스는 양자 측정, 양자 결어어어런스, 환경 간섭 등과 같은 다양한 상황에서 발생할 수 있습니다. 그 중 환경 간섭은 양자 결맞음의 가장 일반적인 원인입니다. 양자 시스템이 주변 환경과 상호 작용할 때 환경 불확실성과 소음으로 인해 양자 상태의 간섭 효과가 점차 사라지고 시스템이 점차 일관성을 잃게 됩니다.

양자 결맞음은 양자 컴퓨팅과 양자 정보 처리에 영향을 미치는 중요한 문제입니다. 왜냐하면 일관성은 양자 컴퓨팅의 핵심 자원이기 때문입니다. 따라서 양자 상태의 일관성 시간을 연장하고 양자 결맞음의 영향을 줄이는 방법을 연구하는 것은 양자 정보 분야의 현재 연구 초점 중 하나입니다.

2. 양자우월시대가 온다

2.1 두 번째 양자 기술 혁명

양자 개념의 첫 번째 제안은 독일 물리학자 막스 플랑크에 의해 1900년으로 거슬러 올라갑니다. 플랑크는 양자이론의 기초가 되는 에너지 양자화 개념을 제시함으로써 20세기 초 양자물리학 혁명의 시발점이 되었습니다. 1905년에 알베르트 아인슈타인은 양자 개념을 더욱 발전시켜 광전 효과를 설명하기 위해 광양자(광자) 개념을 제안했습니다.

“최초의 양자 기술 혁명”은 20세기 초 막스 플랑크, 알베르트 아인슈타인, 닐스 보어, 베르너 하이젠베르크, 에르빈 슈뢰딩거, 파울에 의해 시작되었습니다. 디랙 등으로 대표되는 물리학자들은 양자역학의 이론적 틀을 확립하고 기본 특성을 기술했습니다. 양자역학 박사는 양자역학과 수학, 화학, 생물학의 결합을 실현하여 원자폭탄, 레이저, 트랜지스터, 핵자기공명, 컴퓨터 등 수많은 주요 발명품을 탄생시켰습니다.

2014년 세계 최고의 과학잡지 네이처는 '제2의 양자기술 혁명'이 시작됐다고 제안했다.

'1차 양자기술 혁명'은 인류를 산업시대에서 정보화 시대로 이끌었고, 현재 진행 중인 '2차 양자기술 혁명'은 인류가 고전 기술의 물리적 한계를 뛰어넘고 양자 시대로 진입하는 것을 의미한다. 양자컴퓨터의 탐구는 단순한 '검출 시대'에서 적극적인 '규제 시대'로 옮겨가며 양자 컴퓨팅, 양자 통신, 양자 정밀 측정 분야에서 획기적인 발전을 예고하고 있습니다.

'제2의 양자기술혁명'은 양자얽힘, 양자중첩, 양자측정 등을 활용해 혁신적인 응용을 구현하며 여러 분야에서 변화를 촉발할 것으로 예상된다.

양자 컴퓨팅: 양자 컴퓨터의 개발은 특수 양자 컴퓨터에서 범용 양자 컴퓨터로 전환되어 궁극적으로 기존 컴퓨터가 처리할 수 없는 특정 문제를 해결할 수 있는 프로그래밍 가능한 범용 양자 컴퓨터를 달성하게 됩니다.

양자 통신: 도청 방지 통신 방식을 가지며, 양자 비복제 등의 특성을 갖춘 안전한 통신 네트워크를 구축합니다. 주요 기술로는 양자키분배(QKD), 양자순간이동(QT) 등이 있다. 양자통신 기술의 발전은 양자인터넷 구축도 더욱 촉진할 것이다.

양자 정밀 측정: 양자 정밀 측정 기술은 과학 연구 및 산업에 고정밀 측정 도구를 제공합니다. 양자 상태는 외부 환경의 변화에 ​​매우 민감하기 때문에 양자 정밀 측정의 감도와 분해능은 기존 한계를 크게 초과하고 관련 분야의 발전이 향상되었습니다.

'제2의 양자기술 혁명'은 양자 세계에 대한 우리의 이해를 변화시키고 다양한 분야에 양자 기술의 적용을 촉진하고 있습니다. 기술이 계속 발전함에 따라 양자 기술은 향후 수십 년 동안 우리가 살고 일하는 방식에 혁명을 일으킬 것으로 예상됩니다.

2.2 글로벌 양자기술대회

"양자 기술 혁명은 중국에게 '차선을 바꾸고 추월'할 수 있는 기회를 제공했습니다." 전 국립대만대학교 총대리 대행이자 중원대학교 석좌교수이자 폭스콘 양자연구소 컨설턴트인 장칭루이는 자신의 저서에서 이렇게 말했습니다. 퀀텀 메가트렌드'.

정보기술 시대에 고전 컴퓨터의 컴퓨팅 성능 향상은 무어의 법칙을 따른다. 무어의 법칙에 따르면 집적 회로에 수용할 수 있는 트랜지스터의 수는 약 2년마다 두 배로 늘어납니다. 그러나 트랜지스터의 크기가 원자 규모에 가까워짐에 따라 나노미터 공정의 정밀한 제어가 핵심 기술이 되었습니다. , 트랜지스터의 물리적 크기는 점점 더 작아지고 있습니다.

"제2의 양자 기술 혁명"에서는 양자 중첩, 양자 얽힘, 양자 측정 등의 특성을 사용하여 새로운 양자 구성 요소를 생성합니다. 이는 물체의 특성이 가능한 한 무어의 법칙에 따른 축소 기술에만 의존하지 않습니다. 얽힘 특성을 갖는 양자 부품의 성능은 기존 전자 부품보다 훨씬 뛰어납니다. "제2의 양자 기술 혁명"은 더욱 파괴적인 혁신 산업을 가져올 것입니다.

중국에서 '양자의 아버지'로 불리는 중국 과학기술대학교 판젠웨이(Pan Jianwei) 교수는 현대 정보과학 측면에서 중국은 지금 이 시대에도 항상 학습자이자 추종자의 역할을 해 왔다고 말했습니다. 양자기술, 우리가 최선을 다한다면 그 중 주역이 될 수 있습니다.

현재 우리나라는 양자 통신 분야에서 세계를 선도하고 있습니다. 2016년에는 세계 최초의 양자 과학 실험 위성인 '모지(Mozi)'가 2017년에 성공적으로 발사되었으며, 2,000km 장거리 베이징-상하이 양자 통신 라인이 완성되었습니다. 2018년에 "Mozi" "Zihao"는 2022년에 중국의 Xinglong 및 오스트리아의 Graz 지상국과 각각 7,600km에 달하는 위성-지상 양자 키 분배를 수행했으며, Tsinghua University 교수 Long Guilu 팀은 위상 양자 상태와 타임스탬프의 하이브리드를 설계했습니다. 양자 상태 새로운 코드화된 양자 직접 통신 시스템은 100km의 양자 직접 통신을 달성하고 '양자 직접 통신' 부문에서 세계 기록을 경신했습니다.

양자 컴퓨팅 분야에서는 2020년 12월 중국 과학 기술 대학이 76광자 프로토타입 "Jiuzhang"의 성공적인 건설을 발표하여 두 번째로 양자 우위(Quantum Supremacy)를 달성한 국가가 되었습니다(주). 2021년 중국 과학기술대학교는 프로그래밍 가능한 56큐비트 초전도 컴퓨터 'Zuchongzhi'를 출시해 슈퍼컴퓨터가 완료하는 데 8년이 걸렸던 작업을 1.2시간으로 단축했습니다. 중국은 초전도와 초전도라는 두 가지 기술 경로를 가진 유일한 국가입니다. 광학 양자 우위를 모두 달성한 국가.

Qianzhan 산업 연구소의 데이터에 따르면 총 투자액 기준으로 2023년 글로벌 양자 정보 투자는 386억 달러에 달할 것이며, 그 중 중국의 총 투자액은 150억 달러에 도달하여 세계 1위를 차지할 것으로 예상됩니다.

현재 양자기술 경쟁에서는 중국과 미국이 선두를 달리고 있고, 유럽 등 전통기술 강국들도 적극적으로 따라잡고 있다. 비록 현재 양자기술 분야의 선두주자들이 있지만, 모든 참가자들이 출발선에 머문 것은 아니다. "차선 변경 및 추월"은 다른 기술 분야에 더 많은 기회가 있는 것보다 훨씬 더 어렵습니다.

2021년 우리나라의 '14차 5개년 계획' 개요에서는 2030년까지 국가 양자통신 인프라 구축을 완료하고 범용 양자컴퓨터 개발을 완료하는 것을 목표로 양자컴퓨팅, 양자통신 등 첨단기술의 전개를 가속화할 것을 제안하고 있다.

(참고: 양자 우월성이라고도 알려진 양자 우월성은 특정 작업을 수행할 때 가장 강력한 기존 컴퓨터를 능가하는 양자 컴퓨터의 능력을 의미합니다. 이 개념은 물리학자 John Price가 2012년 John Preskill이 제안한 중요한 의미를 설명하기 위해 개발되었습니다. 특정 문제를 해결하는 데 있어 클래식 컴퓨터에 비해 양자 컴퓨터의 장점)

3. 양자 컴퓨팅

최첨단 기술인 양자컴퓨팅은 최근 몇 년간 글로벌 과학 연구자와 자본으로부터 큰 주목을 받아왔습니다. 이는 양자 역학의 원리를 사용하여 기존 컴퓨터의 이진 기반 계산 방식을 돌파하여 특정 문제에서 기존 컴퓨터를 훨씬 능가할 수 있는 잠재력을 보여줍니다. 양자물리학 이론이 지속적으로 심화되고 양자 기술이 성숙해짐에 따라 양자컴퓨팅은 점차 이론에서 실용화로 나아가고 있으며 미래 컴퓨팅 기술의 중요한 발전 방향으로 여겨지고 있다.

3.1 양자컴퓨팅의 정의와 장점

양자컴퓨팅(Quantum Computing)은 양자비트(Quantum Bit)를 정보의 기본 단위로 사용해 양자역학의 원리를 바탕으로 계산을 수행하는 기술이다. 양자 컴퓨터의 초병렬성은 큐비트의 중첩 상태에서 비롯됩니다. 동일한 수의 기존 비트와 비교할 때 여러 큐비트 간의 컴퓨팅 성능 차이는 기하급수적입니다.

기존 컴퓨터는 이진 비트(bits)를 사용하는데, 각 비트는 0 또는 1인 반면, 양자 컴퓨터의 양자 비트(qubit)는 동시에 0과 1의 중첩 상태에 있을 수 있습니다. 큐비트의 개수가 늘어날수록 N개의 큐비트는 동시에 값을 가질 수 있는데, 이는 동시에 연산을 수행하는 것과 같다.

양자 컴퓨터는 양자 알고리즘을 통해 이러한 중첩 상태와 큐비트 간의 상호 작용을 조작하고 동시에 가능한 많은 계산 경로를 처리할 수 있어 정수 분해와 같은 특정 유형의 문제를 해결할 때 양자 컴퓨터를 기존 컴퓨터보다 효율적으로 만듭니다. 검색 알고리즘은 훨씬 빠릅니다.

3.2 양자컴퓨팅의 주요 기술 경로

우리나라는 양자과학 연구를 매우 중시하며, 양자기술의 연구와 응용을 지원하기 위한 여러 정책과 계획을 잇달아 도입해왔습니다. 양자 컴퓨팅 분야에서 중국 과학 연구 기관 및 기업은 초전도 양자 컴퓨팅, 광학 양자 컴퓨팅 등 핵심 기술 경로에서 국제적으로 영향력 있는 일련의 결과를 달성했으며 글로벌 양자 컴퓨팅 경쟁에서 선두 위치에 있습니다.

현재 양자컴퓨팅은 초기 탐구 단계에 있으며 큐비트의 개발 방향은 매우 다양하다. 주류 솔루션으로는 초전도, 이온 트랩, 광학 양자, 초저온 원자, 실리콘 기반 양자점, 위상 양자 등이 있다. 기본적으로 양자 컴퓨팅의 장점을 기반으로 합니다. ——특수 양자 컴퓨팅—범용 양자 컴퓨팅의 로드맵 개발.

최첨단 기술 컨설팅 기관인 ICV가 발표한 '글로벌 양자컴퓨팅 산업 발전 전망 2024' 보고서에 따르면 전 세계 주요 양자컴퓨팅 기업의 분포를 중국과 미국이 장악하고 있으며, 미국과 미국은 20개 기업이 있다. 중국 내 18개 기업이 각각 28%, 25%를 차지합니다. 기술적인 경로분배 측면에서는 초전도, 이온트랩, 광학양자경로 등이 가장 주목받고 있다. 2023년 세계 71개 주요 양자컴퓨팅 기업 중 초전도 양자컴퓨팅 경로에 있는 기업은 19개로 27%를 차지하며, 미국 8개, 중국 5개, 그 뒤를 광양자컴퓨팅으로 총 13개 기업이 있다. , 18%를 차지하며, 그 중 중국 기업이 4개로 가장 많으며, 이온 트랩 양자 컴퓨팅 경로에 있는 기업은 14%, 중국 기업은 4개입니다.

(1) 초전도 양자컴퓨팅 경로

초전도 양자 컴퓨팅은 현재 가장 성숙한 양자 컴퓨팅 기술 중 하나입니다. 초전도 양자 회로를 기반으로 하며 초전도 큐비트를 조작하여 정보를 처리합니다. 초전도 양자 회로는 설계, 준비 및 측정 측면에서 기존 집적 회로 시스템과 호환성이 뛰어나며 기존 전자 부품을 제어 시스템으로 사용할 수 있습니다. IBM, Intel, Google, Origin Quantum, Guodun Quantum 등이 초전도 양자 컴퓨팅의 길에 대한 연구 개발을 진행하고 있습니다.

초전도 큐비트의 장점은 높은 연속성과 확장성, 그리고 상대적으로 낮은 왜곡률입니다. 이 기술 경로는 여러 큐비트와 양자 게이트 작업 간의 얽힘을 달성하여 실용적인 양자 컴퓨터를 구축하기 위한 기반을 마련했습니다. 그러나 초전도 큐비트는 환경의 온도와 전자기 간섭에 매우 민감하므로 실험은 극도로 낮은 온도와 잘 차폐된 환경에서 수행되어야 합니다.

미국 양자 컴퓨팅 산업 체인은 특히 초전도 양자 컴퓨팅 경로에서 IBM, Google, Microsoft와 같은 선도적인 기술 기업이 업계에 진입하는 완전한 레이아웃을 갖추고 있습니다. 초전도 양자칩 분야에서는 2023년 12월 IBM이 세계 최초로 1,121큐비트를 탑재한 1,000큐비트 이상의 양자컴퓨팅 프로세서 칩 콘도르(Condor)를 출시했다.

2024년 4월 중국과학원 양자정보양자기술혁신연구소는 504비트 초전도 양자컴퓨팅 칩 '샤오홍(Xiaohong)'을 출시해 초전도 큐비트 수 국내 기록을 경신했다.

중국과학원 양자정보 및 양자과학기술혁신연구소 교수이자 China Telecom Quantum Group 및 Guodun Quantum(688027.SH)의 수석 과학자인 Peng Chengzhi는 초전도 양자 컴퓨팅 칩이 보다 성숙한 방식으로 재사용할 수 있다고 말했습니다. 특히 반도체 칩 처리 기술은 확장 측면에서 유리해 연구개발이 "어렵지 않다"며 "가장 어려운 것은 큐비트의 품질과 양을 동시에 향상시켜 칩의 성능과 성능을 진정으로 향상시키는 것"이라고 말했다. 대규모 큐비트를 보다 정밀하게 제어하는 ​​것이 국제적인 주류다. 과학 연구팀이 열심히 노력하고 있다”고 말했다.

양자 컴퓨터가 달성할 수 있는 컴퓨팅 성능은 초전도 양자 컴퓨터를 예로 들어 비트 수, 충실도, 일관성 시간, 게이트 작동 속도, 연결성 등 다양한 요소에 따라 달라집니다. 그 중 비트 수가 핵심 지표입니다. 그러나 더 중요한 것은 게이트 충실도(특히 2비트 게이트 충실도), 일관성 시간, 대규모 비트 연결성입니다. 스케일 큐비트.

또한, 초전도 물질의 특성은 온도가 특정 임계온도 이하로 떨어지면 저항이 0이 되어 전류가 손실 없이 흐를 수 있다는 점이다. 큐비트의 효율적인 작동과 안정적인 저장을 위해서는 양자칩이 -273.12°C 이하의 극저온 환경에서 작동해야 하기 때문에 희석냉동기는 초전도 양자컴퓨팅의 핵심 장비 중 하나이다.

현재 우리나라에서 생산된 희석냉장고는 큰 돌파를 이루었으며 실제 작동지표는 동종제품의 국제 주류수준에 도달하였다. Guodun Quantum이 출시한 상용 및 대량 생산 국내 희석 냉장고 ez-Q 냉장고는 양자칩에 10mK 수준의 초저온, 저소음 환경을 제공합니다. 냉각 전력은 450uW@100mK에 달합니다. 100mK의 온도에서 냉각 전력은 450uW에 도달할 수 있는 희석 냉장고는 냉각 전력이 클수록 더 많은 양자 컴퓨팅을 지원할 수 있으며 양자를 구현하는 "Zuchong-2" 역할을 합니다. 컴퓨팅 우수성 실험; Origin Quantum이 독자적으로 개발한 SL1000 희석 냉장고는 10mK 미만의 초저온 환경과 1000μW @100mK 이상의 냉각 용량을 제공하여 절단 작업의 초저온 환경 요구 사항을 충족합니다. 초전도 양자컴퓨팅, 응집물질 물리학, 재료과학, 심우주 탐사 등 첨단 기술 분야.

'양자 우월성'을 달성하는 것은 양자 컴퓨터의 성능, 즉 기존 슈퍼컴퓨터의 성능을 뛰어넘는 특정 문제를 계산하는 능력을 측정하는 핵심 척도입니다. 현재 전 세계적으로 초전도 양자컴퓨터는 미국산 '플라타누스(Platanus)'와 중국산 '주총-2(Zuchong-2)' 두 대만 존재한다.

"Zuchong-2"는 Pan Jianwei, Zhu Xiaobo, Peng Chengzhi 등 중국과학원 양자 정보 및 양자 기술 혁신 연구소와 중국과학원의 연구진으로 구성된 연구팀이 개발한 66큐비트 프로그래밍 가능 초전도 양자 컴퓨팅 프로토타입입니다. 중국과학원 상하이기술물리연구소. 2023년 5월, 팀은 원래의 "Zuchong-2" 66큐비트 칩을 개선하고 110비트 커플링 제어 인터페이스를 추가하여 사용자가 제어할 수 있는 큐비트 수를 176비트로 늘렸습니다.

Guodun Quantum은 "Zuchongzhi"의 연구 개발에 참여하는 유일한 기업 단위로서 초전도 양자 컴퓨팅 프로토타입의 공급망 관리 및 통합 기능(상온 제어 시스템, 저온 신호 전송 시스템, 칩 패키징 시스템 포함)을 사용합니다. , 제어 소프트웨어 시스템 등) 현재 4대의 완전한 양자 컴퓨터가 해외에 성공적으로 판매되었습니다.

또한 오리진 퀀텀이 개발한 3세대 독립형 초전도 양자컴퓨터 '오리진 오공(Origin Wukong)'이 2024년 1월 온라인 출시 예정이다. '오리지널 오공(Original Wukong)'에는 총 198개의 72비트 초전도 양자칩 '오공 코어(Wukong Core)'가 탑재됐다. 72개의 작업 큐비트와 126개의 결합 큐비트가 포함되어 있습니다.

(참고: 큐비트(qubit)는 양자 컴퓨팅의 기본 단위입니다. 고전 컴퓨팅의 비트와 유사한 양자 정보의 전달자입니다. 큐비트는 중첩 상태, 즉 동시에 여러 상태의 중첩일 수 있습니다. 여러 컴퓨팅 작업을 동시에 처리할 수 있는 결합 큐비트(cQubit)는 서로 상호 작용하거나 결합하는 특수 큐비트로, 서로 다른 큐비트가 서로 상호 작용할 수 있도록 하는 양자 게이트 작업을 구현하는 데 자주 사용됩니다. 일반적으로 큐비트는 양자 컴퓨팅의 기본 단위이며, 커플링 큐비트는 양자 게이트 연산 및 양자 컴퓨팅을 구현하는 데 사용되는 특수한 형태의 큐비트입니다.

(2) 광양자컴퓨팅 경로

광양자컴퓨팅 경로는 광자를 정보의 전달자로 사용하고 양자광학소자를 통해 양자컴퓨팅 과정을 구현한다. 광양자컴퓨팅의 주요 장점은 광자 자체가 환경과 매우 약하게 상호작용하며, 높은 충실도로 오랫동안 안정적인 양자 상태를 유지할 수 있다는 점이다. 또한, 극저온 환경이 필요한 초전도 양자컴퓨팅과 달리 광양자컴퓨팅은 상온에서도 수행이 가능하다. 기술적 과제는 고정밀 제어 기술과 장비가 필요한 광자의 생성, 작동 및 감지에 있습니다. 현재 양자 컴퓨터의 경로로 광자를 사용하는 회사에는 PsiQuantum, Xanadu, Turing Quantum 및 Bose Quantum이 있습니다.

초전도 양자컴퓨팅 경로에서 '주총지(Zu Chongzhi)' 외에 우리나라에도 '양자우월'을 달성한 양자컴퓨터가 있다. Pan Jianwei 팀이 개발한 "Nine Chapters" 시리즈는 광학 양자 컴퓨팅 경로를 채택합니다.

특정 기능 양자 컴퓨터 측면에서 중국은 광학 양자 컴퓨팅 경로에서 큰 돌파구와 발전을 이루었습니다. 2023년 10월 중국 과학기술대학교 팀은 255광자 양자컴퓨팅 프로토타입 'Jiuzhang-3'을 성공적으로 구축했습니다. 프로토타입은 255개의 광자로 구성되어 있으며 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터보다 1000억 배 빠르게 Gaussian Bose 샘플링 수학 문제를 해결할 수 있으며, 다시 한번 광학 양자 정보 기술 분야에서 세계 기록을 경신했습니다. 또한 2024년 4월 출시된 Bose Quantum의 550 컴퓨팅 큐비트를 갖춘 차세대 코히어런트 광양자 컴퓨터인 "Tiangong Quantum Brain 550W"는 "Kaiwu SDK"로 대표되는 개발 키트와 다중 산업 생태학을 통해 "양자 알고리즘"을 공동으로 결합합니다. 파트너가 개발한 이 제품은 실용적인 양자 컴퓨팅 분야에서 획기적인 발전을 이루었습니다.

실행 계산 프로그램을 마음대로 변경할 수 있는 범용 양자컴퓨터와 달리 특정 기능 양자컴퓨터는 특정 양자 알고리즘만 실행할 수 있어 원래 설계 기능 이상으로 계산을 처리하려면 하드웨어나 장비를 바꿔야 한다.

프로그래밍 가능한 범용 광양자 컴퓨터 분야에서 Turing Quantum은 중국 최초의 광양자 컴퓨팅 프로그래밍 프레임워크인 DeepQuantum을 출시했습니다. 개발자는 DeepQuantum의 QubitCircuit을 사용하여 양자 회로를 쉽게 구축 및 시뮬레이션하고 양자 신경망을 신속하게 설계 및 최적화할 수 있습니다. 또한 DeepQuantum의 QumodeCircuit을 통해 사용자는 광양자 회로를 심층적으로 연구하고 Gaussian Bose 샘플링과 같은 알고리즘을 기반으로 실용적인 응용 프로그램을 개발할 수 있습니다. DeepQuantum에는 자동 미분 기능이 포함될 뿐만 아니라 사용자가 변형 양자 알고리즘을 효율적으로 구현하고 탐색하는 데 도움이 되는 다양한 비경사 최적화 기능이 내장되어 있습니다. 동시에 Turing Quantum은 Quantum Cloud 플랫폼에 광학 양자 컴퓨팅 하드웨어를 배포할 예정이며 사용자는 DeepQuantum을 통해 실제 양자 컴퓨팅을 경험할 수 있습니다.

(3) 이온 트랩 양자 컴퓨팅 경로

이온 트랩 양자 컴퓨팅 경로는 이온(보통 전하를 띤 원자나 분자)을 큐비트로 사용해 양자 정보 처리를 수행하는 기술이다. 외부 전자기장은 특정 범위 내에서 이온을 "가두기" 위해 사용되며, 이온의 이동은 전하와 전자기장 사이의 상호 작용력에 의해 제어됩니다. 이온 트랩 양자 컴퓨팅의 장점은 길고 안정적인 얽힌 상태 시간과 논리 게이트의 높은 충실도에 있지만, 안정적인 "감금"과 동시에 많은 수의 이온을 정확하게 제어하는 ​​데 기술적 어려움이 있습니다. 레이저 냉각 기술과 초고진공 환경, 그리고 집적 회로의 호환성이 아직 개발되지 않아 확장성이 제한적입니다. 현재 이온 트랩 양자 컴퓨팅 기술에 깊이 관여하고 있는 기업으로는 Quantinuum, IonQ, Qike Quantum, Huayi Quantum, Guoyi Quantum 등이 있습니다.

2023년 Huayi Quantum은 37큐비트 규모의 1세대 이온 트랩 양자 컴퓨터의 상용 프로토타입인 HYQ-A37을 출시했습니다. 큐비트 일관성 시간, 충실도 및 기타 관련 성능 지표가 세계 일류 수준에 도달했습니다. 현재 사용자는 시각적 도구나 코드 편집기를 사용하여 약속에 따라 양자 회로를 신속하게 설계하고 HYQ-A37에 원격으로 액세스하여 컴퓨팅 작업을 수행하고 실시간 그래픽 컴퓨팅 결과 피드백을 얻을 수 있습니다. Huayi Quantum은 2024년에 110비트 저온 이온 트랩 양자 컴퓨터를 출시할 예정입니다.

3.3 양자컴퓨터의 개발 역사와 기술적 어려움

양자컴퓨팅은 1980년대부터 기본적인 물리적 개념과 기본원리에 의해 검증되었으며, 현재 양자컴퓨터는 NISQ(Noisy Medium-Scale Quantum Computer) 단계에 이르렀다.

50~100큐비트의 고성능 양자 게이트를 갖춘 컴퓨터를 NISQ 컴퓨터라고 합니다. "노이즈"란 큐비트 사이에 어느 정도의 잡음과 오류가 있어 내결함성이 낮아 아직 정확한 양자 계산을 달성할 수 없음을 의미합니다. 내결함성 범용 양자 컴퓨터는 장기적인 개발 목표이며 달성하는 데 시간이 좀 걸릴 것입니다. 그러나 시끄러운 중간 규모 양자 컴퓨터의 컴퓨팅 성능은 일부 특정 양자 알고리즘을 수행할 수 있습니다. 작업을 수행했으며 이미 일부 응용 분야에서 뛰어난 성능을 입증했습니다.

이 단계에서 양자 컴퓨터 개발의 주요 제약 사항은 다음과 같습니다.

(1) 극저온 요구사항: 큐비트의 양자 상태의 안정성을 유지하기 위해서는 양자컴퓨터가 절대온도 0도에 가까운 초저온 환경에서 작동해야 합니다. 이러한 조건에서 큐비트는 양자 얽힘과 양자 중첩의 특성을 효과적으로 나타낼 수 있습니다. 냉동 시스템은 유지 관리 및 운영 비용이 많이 들고, 큐비트 수가 증가함에 따라 해당 냉동 요구 사항도 증가하며 효과적이고 저렴한 극저온 기술을 개선해야 합니다.

(2) 큐비트 안정성 문제: 큐비트(또는 큐비트)는 양자 컴퓨터의 기본 정보 단위이지만 매우 취약하고 소음 및 외부 간섭에 취약하여 양자 결맞음 현상이 발생합니다. 결맞음은 양자 정보를 파괴하여 계산을 신뢰할 수 없게 만듭니다. 큐비트의 일관성 시간을 늘리는 것은 현재 연구 핫스팟입니다.

(3) 양자 오류 수정: 양자 컴퓨팅 중에는 오류가 필연적으로 발생하며, 큐비트의 특수한 특성으로 인해 이러한 오류는 기존 컴퓨터의 오류와 다릅니다. 효과적인 양자 오류 수정 기술을 개발하는 것은 안정적인 양자 컴퓨팅을 구현하는 데 중요하지만 현재의 양자 오류 수정 알고리즘은 여전히 ​​복잡하고 확장하기 어렵습니다.

(4) 확장성: 기존 양자 컴퓨터의 큐비트 수는 상대적으로 적지만 복잡한 문제를 계산하려면 수백, 수천 또는 그 이상의 큐비트가 필요합니다. 단일 큐비트의 품질을 저하시키지 않고 양자 컴퓨터를 확장하는 방법은 엄청난 기술적 과제입니다.

(5) 재료 및 기술 한계: 고품질 큐비트를 제조하려면 고급 재료와 정밀한 제조 공정이 필요합니다. 예를 들어 초전도 큐비트에는 고순도 초전도 물질이 필요하고, 이온 트랩 기술에는 고정밀 레이저 및 진공 시스템이 필요합니다. 이러한 기술의 발전과 성숙도는 양자 컴퓨터의 성능과 실현 가능성에 직접적인 영향을 미칩니다.

(6) 알고리즘 및 소프트웨어 개발 부족: 일부 양자 알고리즘은 이론적으로 기존 컴퓨팅 이상의 성능을 제공할 수 있는 것으로 알려져 있지만, 양자 컴퓨터의 알고리즘 라이브러리 및 소프트웨어 도구는 여전히 제한적이며 널리 적용할 수 있는 양자 소프트웨어 플랫폼이 부족합니다. 그리고 프로그래밍 프레임워크.

(7) 이론과 실험의 격차: 양자컴퓨팅은 이론적으로는 급속한 발전을 이루고 있지만, 실제 실험에서 이러한 이론을 구현하는 속도는 상대적으로 느립니다. 많은 이론이 실험적으로 검증되지 않았기 때문에 실험적 기술과 설계에 많은 혁신과 최적화가 이루어져야 합니다.

(8) 재능과 지식의 부족: 양자 컴퓨팅은 물리학, 컴퓨터 과학, 공학, 수학 등 여러 분야가 관련된 학제간 분야입니다. 현재는 학제간 지식과 기술을 갖춘 연구자와 엔지니어가 상대적으로 부족하여 양자컴퓨팅 분야의 발전 속도가 제한되고 있습니다.

(8) 응용 시나리오의 한계: 현재 양자 컴퓨터는 화학적 시뮬레이션, 비밀번호 크래킹 및 복잡한 최적화 문제와 같은 특정 특정 문제에서 잠재력을 보여줍니다. 그러나 양자 컴퓨터의 장점은 많은 범용 컴퓨팅 작업에서 아직 명확하지 않으며 상업 및 산업 응용 분야에서의 실용적인 가치를 더 탐구해야 합니다.

위에서 언급한 바와 같이 양자컴퓨팅의 상용화는 여전히 많은 과제에 직면해 있지만, 양자 기술은 이론적 연구 단계에서 엔지니어링 단계로 진입했으며, 향후 내결함성 범용 양자컴퓨터의 등장은 기존 기술 산업을 거의 전복시킬 것이다. '제2의 양자기술혁명'입니다. 앞으로는 엄청난 변화가 일어날 것이며, 새로운 양자시대를 맞이하기 위해서는 미리 준비해야 합니다.

3.4 양자컴퓨터의 응용

(1) 양자 컴퓨팅 클라우드 플랫폼

양자컴퓨팅의 상용화와 대중화를 위해서는 '양자우월성' 달성이 필수 전제조건이며, 양자컴퓨팅 클라우드 플랫폼은 양자컴퓨팅의 실용화 응용 개발의 핵심이다.

현재 양자 컴퓨터의 하드웨어 비용은 특히 고충실도 및 대규모 큐비트 시스템의 경우 매우 높습니다. 동시에 양자 컴퓨터의 작동 및 유지 관리에는 전문적인 기술과 환경이 필요합니다. 양자컴퓨팅 클라우드 플랫폼은 대학, 연구기관, 기업 등이 양자컴퓨팅 시스템에 저렴한 비용으로 접근할 수 있는 방법을 제공합니다.

한편으로 클라우드 플랫폼은 최신 양자 컴퓨팅 기술과 알고리즘을 신속하게 업데이트하고 배포할 수 있으며, 다른 한편으로는 사용자가 애플리케이션 개발 및 테스트를 위해 클라우드 플랫폼을 시험해 볼 때 사용자는 기술 진보로 인한 이점을 즉시 경험할 수 있습니다. , 그들은 기술 반복과 최적화를 촉진하기 위해 공급자의 문제와 요구에 대한 피드백을 제공하는 플랫폼을 제공할 수 있습니다. 양자컴퓨팅 클라우드 플랫폼은 다양한 양자컴퓨팅 기업, 과학연구기관, 기업 사용자를 연결하는 가교 역할을 하며, 양자컴퓨팅과 각계각층의 협력을 촉진하고, 양자컴퓨팅 기술의 개발과 적용을 공동으로 추진한다.

2023년 5월, Guodun Quantum은 자체 개발한 "Zuchongzhihao"와 동일한 유형의 176비트 초전도 양자 컴퓨터에 연결된 차세대 양자 컴퓨팅 클라우드 플랫폼을 출시했습니다. 초전도 양자 컴퓨터 비트 수를 깨뜨렸을 뿐만 아니라. 국내 클라우드 플랫폼 최고 기록을 달성했으며, 초전도 양자 경로에서 양자 우위를 달성할 수 있는 잠재력을 갖고 외부 세계에 개방된 세계 최초의 양자컴퓨팅 클라우드 플랫폼이기도 하다. Guodun Quantum은 앞으로 상호 재해 복구 및 반복 업데이트를 위해 여러 대의 고성능 양자 컴퓨터에 액세스하여 클라우드 플랫폼 하드웨어가 국제적으로 앞선 수준을 유지할 수 있도록 할 계획이라고 밝혔습니다.

2023년 11월, Guodun Quantum은 China Telecom Quantum Group의 'Tianyan' 양자 컴퓨팅 클라우드 플랫폼과 China Telecom의 'Tianyi Cloud' 슈퍼컴퓨팅 플랫폼이 연결되어 '슈퍼컴퓨팅-양자 컴퓨팅' 하이브리드 컴퓨팅 아키텍처 시스템을 구축하도록 지원했습니다.

(2) 양자 컴퓨팅의 주요 응용 시나리오

ICV 데이터에 따르면 2023년 전 세계 양자산업 규모는 47억 달러에 달할 것으로 예상되며, 범용 양자컴퓨터 기술 진보와 양자 컴퓨터 기술 발전에 힘입어 2023년부터 2028년까지 연평균 성장률(CAGR)은 44.8%에 달할 것으로 예상된다. 특정 분야 응용 분야에서 특수 양자 컴퓨터가 널리 사용됨에 따라 양자 컴퓨팅 산업의 전체 시장 규모는 2035년까지 8,117억 달러에 이를 것으로 예상됩니다.

신흥 컴퓨팅 기술인 양자 컴퓨팅은 금융, 의학, 화학 산업 등 다양한 분야에서 획기적인 응용 가능성을 보여주었습니다. 그 중 금융산업은 양자컴퓨팅의 잠재적으로 중요한 응용분야이다. ICV 예측에 따르면, 양자컴퓨팅의 글로벌 다운스트림 애플리케이션 중 금융산업은 2035년에 가장 높은 시장 점유율을 차지해 51.9%에 달할 것으로 예상된다. 2030년에는 15.8%. 이어 제약산업과 화학산업이 각각 20.5%, 14.2%를 차지했다.

양자 컴퓨팅은 비용과 처리 시간을 줄이기 위해 금융 분야에서 널리 사용됩니다. 현재 주로 위험 관리 및 제어, 파생 상품 가격 책정, 포트폴리오 최적화, 재정 거래 및 신용 평가 등이 포함됩니다.

JP Morgan, Goldman Sachs 등 국내외 주류 금융회사는 양자 금융 애플리케이션 개발을 위해 양자 부서를 설립했습니다. Origin Quantum과 중국 경제 정보 서비스 Xinhua Finance가 공동으로 Xinhua Finance에 게재된 '양자 금융 애플리케이션'을 출시했습니다. 투자 포트폴리오 최적화, 파생 상품 가격 책정 및 위험 분석에 양자 컴퓨팅 응용 프로그램을 제공하는 앱이 온라인에 있습니다. 중국 건설 은행은 양자 정보 기술 응용을 적극적으로 탐색 및 실행하고 양자 금융 응용 실험실을 설립했으며 국내외 Quantum과 협력했습니다. 보안 및 양자 컴퓨팅 팀은 일련의 미래 지향적인 연구와 혁신적인 탐색을 수행하기 위해 협력해 왔습니다. 중국건설은행은 '양자 베이지안 네트워크 알고리즘', '양자 포트폴리오 최적화 알고리즘' 등 양자 금융 응용 알고리즘을 출시해 위험 분석과 포트폴리오 최적화에서 양자 컴퓨팅의 잠재력을 입증했다.

의학 연구 개발 및 화학 재료 과학 측면에서 양자 컴퓨터는 복잡한 화학 반응과 재료 특성을 시뮬레이션할 수 있으며 이는 신약, 신소재를 발견하고 화학 반응 과정을 최적화하는 데 큰 의미가 있습니다.

특히 의학 분야에서 신소재와 신약은 경제적 가치가 매우 크다. 양자컴퓨팅이 전산분석을 통해 기존의 실험적 시행착오 방식을 대체할 수 있다면 신약 개발 시간을 획기적으로 단축할 수 있을 뿐만 아니라 막대한 비용 절감 효과도 가져올 수 있을 것이다. 의료 개발 비용. 의료 연구 개발 및 재료 과학 분야에서 양자 컴퓨팅의 적용을 촉진하지만 여전히 특정 양자 알고리즘과의 조정이 필요합니다.

2022년 7월 BGI 생명과학연구소는 Quanthuan Technology와 협력하여 생명과학 분야에서 양자컴퓨팅의 응용을 모색했습니다. 그들은 양자 알고리즘을 사용하여 게놈 조립을 달성하고 게놈 조립 문제를 해결했으며 더 적은 양자 자원을 사용하여 더 큰 양자 시스템을 시뮬레이션하여 NISQ 시대에 대규모 시스템을 시뮬레이션할 수 있는 가능성을 제공했습니다.

2022년 3월 Turing Quantum은 텐서 네트워크 기술을 사용하여 텐서 수축을 통해 38배 빠른 양자 AI 약물 설계를 달성했으며 QuOmics(유전체학), QuChem(약물 분자)을 포함한 일련의 양자 AI 응용 모듈을 출시했습니다. 구조 설계), QuDocking(약물 가상 스크리닝), QuSynesis(화학 분자 역합성) 등이 다양한 수준의 양자 알고리즘 향상을 달성했습니다.

2021년 4월, Origin Quantum은 화학 분야에서 양자 컴퓨팅 응용을 위한 기반을 제공하고 신약, 신소재, 신에너지 및 기타 분야에서 양자 컴퓨팅의 혁신적인 응용을 가능하게 하는 Origin Quantum Chemistry Application System ChemiQ 2.0을 출시했습니다. .

인공지능 분야에서는 큐비트가 여러 상태에 있을 수 있기 때문에 양자 신경망을 사용하여 대규모 데이터 세트와 복잡한 모델을 처리할 수 있습니다. 이는 인공지능 시스템의 성능을 향상시키고 인공지능 기술을 발전시키는 데 도움이 될 것입니다.

양자컴퓨팅과 머신러닝의 결합은 양자컴퓨터의 대용량 데이터 처리 능력을 활용해 머신러닝이 너무 많은 매개변수의 병목 현상을 극복할 수 있도록 돕는다. 이는 최근 중요한 연구 방향이다. IBM은 키스킷 아키텍처에 머신러닝 모듈을 추가해 양자컴퓨팅과 머신러닝의 장점을 결합하고 빅데이터 처리에 양자컴퓨터의 장점을 활용해 양자 머신러닝 모델의 미래 장점을 확립했다.

4. 양자통신과 보안

양자통신은 양자기술의 중요한 분야로서 정보전송기술의 획기적인 발전이자, 최초로 실용화 단계에 진입한 양자기술이자 가장 성숙한 기술이다. 양자통신은 통신을 더욱 안전하게 만들어주며, 양자통신, 특히 양자보안통신은 기본적으로 실용화됐다. 양자 키 분배 기술을 기반으로 하는 양자 보안 통신은 중국에서 많은 엔지니어링 애플리케이션을 보유하고 있습니다. 다운스트림 산업은 고도로 성숙한 정보 보안 산업입니다.

국가 정책의 지원으로 우리나라의 양자 통신 산업은 최근 몇 년간 급속한 발전을 이루며 세계적 리더가 되었습니다. 많은 우수한 기업과 과학 연구 기관의 지속적인 참여로 양자 통신 산업도 1차 및 2차 시장의 초점이 되었습니다.

4.1 양자보안통신의 필요성

양자 기술은 기술의 다음 이정표로 간주됩니다. 양자컴퓨팅은 복잡한 문제를 최대한 유치하게 다루면서 컴퓨팅 능력의 도약을 가져온다. 약물 설계, 기후 시뮬레이션, 대규모 시스템 최적화 등 양자컴퓨팅이 그 재능을 발휘할 것으로 기대된다. 하지만 이 양날의 칼은 엄청난 위협이기도 합니다. 즉, 오늘날의 암호화 기술 대부분을 즉시 깨뜨릴 수 있습니다.

RSA, ECC(타원 곡선 암호화) 등과 같은 전통적인 공개 키 암호화 시스템은 정수 인수분해 및 이산 로그 문제의 계산 난이도에 의존하며 이를 해독하는 데 필요한 시간이 매우 길고 기존 환경에서는 매우 안전합니다. 기술적인 조건.

그러나 양자컴퓨터가 발전하면서 쇼어(Shor) 알고리즘과 같은 양자 알고리즘이 이러한 문제를 빠르게 해결할 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 현재 가장 인기 있고 널리 사용되는 암호화 알고리즘인 RSA 알고리즘을 예로 들면, 현재 가장 일반적인 것은 2048비트 암호화(키 길이가 길수록 크래킹 시간이 길어짐)이며 Shor 알고리즘은 이론적으로 가능합니다. 최대 2048비트 RSA 암호화를 단 8시간 만에 해독하여 기존 공개 키 암호화 시스템의 보안을 위협합니다.

전통적인 암호화에 대한 양자 컴퓨터의 위협에 대한 우려는 한동안 있었지만 아직 현실이 되지 않았습니다. 양자 컴퓨터의 컴퓨팅 성능은 처리할 수 있는 큐비트 수에 따라 달라집니다. 현재 양자 컴퓨터에는 수백에서 수천 개의 잡음 큐비트만 있으며, 이는 소수의 안정적이고 오류 수정 큐비트를 생성하는 데 사용됩니다. 기존 암호화에 대한 위협에는 수천 개의 안정적인 큐비트가 필요하며, 여기에는 수백만 개의 시끄러운 큐비트가 필요할 수도 있습니다. 따라서 양자컴퓨터의 성능이 급속히 발전하고 있지만 아직 고전적인 암호화를 위협하는 수준에는 도달하지 못했지만 일부 업계 전문가들은 이 수준에 도달하려면 향후 5~10년 이내에 도달할 수 있다고 내다본다.

기존 암호화폐에 대한 양자컴퓨팅의 위협은 아직 이론적인 단계이지만, 현재 가장 큰 문제 중 하나는 민감한 정보의 전방보안이다. 양자컴퓨팅 기술이 아직 실질적인 진전을 이루지는 못했지만 암호화된 민감한 정보가 많이 유통되고 있다. 이는 범죄자가 지금 암호화된 데이터를 훔쳐 저장한 다음 양자 컴퓨팅 기술이 성숙되면 암호를 해독할 수 있음을 의미합니다.

이 문제를 해결하기 위해 양자키분배(QKD, Quantum Key Distribution), 포스트양자암호(PQC, Post-Quantum Cryptography), 양자난수생성기(QRNG, Quantum Random Number Generator), 양자 순간이동(Quantum 통신 보안 기술) QT(Quantum Teleportation) 등 QKD는 이론상 유일하게 무조건 안전한 통신 방식으로 꼽힌다. QKD 키 보안은 수학 문제의 계산적 복잡성이 아닌 양자물리학 법칙에 기반을 두고 있기 때문이다. 우리나라에서는 QKD 기술을 기반으로 한 양자보안 통신망 구축이 구체화되기 시작했고, 상용 응용도 계속해서 발전하고 있으며, PQC 알고리즘은 현재 표준화 실증을 진행 중이다.

4.2 양자보안통신 주요 기술

양자컴퓨팅은 '창'이고, 양자보안통신은 '방패'이다. '제2의 양자 기술 혁명'이 공식적으로 도래하기 전에 양자 보안 통신 기술의 개발은 특히 정부 통신, 금융 거래, 국방 보안 등 보안 요구 사항이 높은 분야에서 정보 보안을 위한 새로운 솔루션을 제공합니다. 지속적인 기술 성숙과 응용 확산으로 양자보안통신은 향후 더욱 안전하고 안정적인 통신 네트워크를 구축할 것으로 기대된다.

(1) 양자난수생성기(QRNG)

난수 생성기는 일련의 난수를 생성할 수 있는 장치 또는 알고리즘입니다. 난수 생성기는 암호화에서 매우 중요하며 암호화 키, IV(초기화 벡터) 및 비밀로 유지되어야 하는 기타 매개변수를 생성하는 데 사용됩니다. 이는 암호화 프로세스의 보안과 예측 불가능성을 보장합니다.

난수 생성기는 진난수 생성기(TRNG, True Random Number Generator)와 의사 난수 생성기(PRNG, Pseudo-Random Number Generator)로 나누어지며 일반적으로 TRNG는 물리적 과정이나 자연 현상을 기반으로 난수를 생성하는 것을 의미하며, 전자의 열잡음, 방사성 붕괴, 광자 도착 시간 등. 예측할 수 없는 물리적 프로세스에 의존하기 때문에 "진정으로" 무작위로 간주됩니다. PRNG는 초기 상태(시드)에서 시작하여 알고리즘 규칙에 따라 임의의 숫자 시퀀스를 생성하는 결정론적 알고리즘을 사용합니다.

TRNG는 초당 제한된 수의 난수를 생성할 수 있으므로 일반적으로 TRNG는 반복 불가능한 실제 난수 시퀀스를 생성하기 위해 PRNG의 "시드"로 사용됩니다. PRNG는 난수 생성기라고도 불리지만 실제로는 예측 가능성이 높습니다. , 알고리즘과 시드 상태가 알려진 한 완벽한 TRNG를 찾는 것은 항상 중요한 연구 방향이었습니다.

QRNG(양자 난수 생성기)는 완벽한 TRNG입니다. QRNG는 양자 역학의 양자 무작위 중첩을 빌려 양자 세계의 확률적 특성을 사용하여 진정한 무작위 키를 생성합니다. QRNG의 양자 메커니즘이 완전히 마스터되고 이해되었으므로 난수를 생성하는 양자 구성 요소가 정보 암호화에 사용되었습니다. QRNG의 현재 주요 연구개발 방향은 보다 경제적이고 빠르며 작은 양자 랜덤 칩을 생산하는 것입니다.

(2) 양자 키 분배(QKD)

QKD(양자 키 배포)는 양자 상태를 사용하여 특정 프로토콜을 통해 통신 당사자 간에 정보를 전달하고 키를 공유합니다. 이 기술은 양자 역학의 기본 특성을 적용하여 합법적인 사용자가 전송된 키를 훔치려는 시도를 발견할 수 있도록 합니다. 지금까지 유일하게 이론적으로 무조건 안전한 통신 방법을 달성하기 위해.

양자키분배(QKD)의 핵심은 양자상태를 갖는 물질을 암호로 사용하는 것이며, 양자상태는 다음과 같은 두 가지 핵심 속성을 갖고 있어 정보의 안전한 전송을 보장한다.

첫째, 양자 상태를 측정하면 상태가 변경됩니다. 양자역학의 불확정성 원리에 따르면 양자 상태를 측정하면 상태가 변경됩니다. 누군가가 전송 중인 정보를 훔치려고 하면 양자 상태를 측정해야 하며, 이는 양자 시스템에 영향을 미치고 합법적인 사용자가 이를 알아챌 수 있습니다.

둘째, 양자 상태의 복제 불가능성: 양자 역학의 원리에 따르면, 알려지지 않은 양자 상태를 완벽하게 복사하는 것은 불가능합니다. 이는 전송 과정에서 양자 상태의 완전한 정보가 도난당할 수 없어 정보의 보안이 보장된다는 것을 의미합니다.

이 단계에서 양자 보안 통신 기술은 주로 QKD 네트워크를 사용하여 키의 안전한 배포를 달성한 다음 이를 대칭 암호화 기술과 결합하여 정보의 안전한 전송을 보장합니다. 쉽게 말하면, 일반적으로 사용되는 광모듈의 기능을 대체할 수 있는 광양자 상태 송수신 장비를 단일모드 광섬유의 양쪽 끝에 추가해 물리적 암호화 기반의 안전한 통신을 구현하는 것이다.

QKD 기술은 양자통신을 구현하기 위한 핵심 기술이지만, 다양한 보안 QKD 프로토콜을 통해 빠른 속도와 긴 전송거리를 갖춘 양자 네트워크도 양자통신 구현에 없어서는 안 될 부분이다. 양자통신 기술은 초기에는 QKD 등 솔루션을 중심으로 실용화됐지만 전송 거리와 비용은 여전히 ​​전체 산업의 적용과 산업 발전을 제한하는 요인이다. 상업용 광섬유 기반 지점 간 QKD는 전송 거리가 제한되어 있는 반면, 위성-지상 QKD 장거리 전송에는 위성과 같은 값비싼 부품이 필요합니다. 양자통신의 향후 개발 목표는 전 세계를 커버하는 광역 양자통신 네트워크 시스템을 구축하는 것이며, 관련 기술에는 여전히 추가적인 돌파구가 필요하다.

(3) 양자 순간이동(QT)

양자 순간이동(Quantum Teleportation, QT)은 양자역학 원리를 기반으로 한 정보 전송 방식이다. 이를 통해 양자 시스템(예: 큐비트)의 상태를 물리적 전송 매체 없이 한 위치(종종 "송신단"이라고 함)에서 다른 위치(종종 "수신단"이라고 함)로 정확하게 전송할 수 있습니다. 양자 순간이동은 물질 자체의 순간적인 이동이 아니라 양자 정보의 순간적인 전달을 포함합니다.

양자 순간이동의 실현은 다음과 같은 양자역학적 원리를 기반으로 합니다.

양자 얽힘: 두 개 이상의 양자 입자 사이에는 특별한 연결이 있습니다. 비록 멀리 떨어져 있더라도 한 입자의 상태 변화는 얽힌 다른 입자의 상태에 즉시 영향을 미칩니다.

양자 상태의 복제 금지 정리: 알려지지 않은 양자 상태의 완벽한 복사본을 만드는 것은 불가능합니다.

양자 측정: 양자 시스템을 측정하면 상태 붕괴가 발생하며 측정 결과는 일반적으로 무작위입니다.

양자 순간이동의 기본 단계는 다음과 같습니다.

a. 한 쌍의 얽힌 입자를 준비하여 하나는 수신 측으로, 다른 하나는 송신 측으로 보냅니다.

b. 송신단에서 전송될 큐비트와 송신단의 얽힌 입자에 대한 특정 공동 측정을 수행합니다. 이 측정으로 인해 큐비트의 정보가 수신 측의 얽힌 입자로 전송되지만 프로세스는 무작위이며 원래 큐비트 상태를 파괴합니다.

c. 공동 측정 결과(고전 정보)를 일반 통신 채널(예: 전화 또는 인터넷)을 통해 수신자에게 보냅니다.

d. 수신된 클래식 정보를 기반으로 수신 측에서는 원래 큐비트 상태를 재구성하기 위해 소유한 얽힌 입자에 대해 일련의 양자 작업을 수행합니다.

이 과정을 통해 발신자의 양자 정보가 수신자에게 "보이지 않게 전송"됩니다. 양자 순간이동은 빛보다 빠른 통신을 허용하지 않는다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 원래 상태를 재구성하는 것은 고전적인 통신 채널을 통해 전송되는 정보에 의존하고 이 전송 속도는 빛의 속도에 의해 제한되기 때문입니다.

현재 양자 순간이동은 실험실 환경에서 주로 연구되고 있다. 양자 순간이동은 장거리 양자통신 및 양자 네트워크를 구현하기 위한 핵심 기술로, 미래 양자인터넷에서 중요한 역할을 할 것으로 예상된다.

(4) 포스트양자암호(PQC)

PQC 기술은 양자 컴퓨터 공격에 저항할 수 있는 암호화 알고리즘의 개발 및 설계를 의미합니다. 현재 PQC와 양자 암호화 분야에서는 양자 컴퓨팅의 위협에 맞서기 위해 다양한 암호화 기술과 알고리즘을 개발했습니다. 초점은 데이터를 암호화하기 위해 정수 분해 및 이산 로그 문제를 사용하지 않는 것입니다. 구체적인 방법에는 격자 기반 암호화, 해시 기반 암호화, 코드 기반 암호화 및 다중 변수 기반 암호화가 포함됩니다.

그 중 격자 기반 암호화 기술은 현재 가장 눈에 띄고 신뢰성이 높은 기술로 꼽힌다. 미국 국립표준기술원(NIST)이 주도하는 세계에서 가장 영향력 있는 PQC 표준화 작업에서 2023년 NIST가 선정한 표준화 알고리즘 4개 중 3개가 격자 기반 암호화 기술이다.

새로운 양자 후 암호화는 Shor의 양자 알고리즘에 내성이 있지만 완벽한 것은 아닙니다. 한편으로는 이러한 포스트 양자 암호화 문제가 현재 해결하기 어려운 것처럼 보이지만 미래에는 이러한 문제를 해결하는 새로운 방법이 발견될 수 있습니다. 다른 한편으로는 포스트 양자 암호화 알고리즘의 실제 구현에도 결함이 있거나 결함이 있을 수 있습니다. 매개변수 선택의 문제는 잠재적인 보안 취약점이 될 수 있습니다.

현재 PQC 알고리즘의 보안성은 이론적 수학적 취약점에서 실제 적용 수준으로 확대된 것으로 전해지고 있다. NIST가 지정한 표준화된 알고리즘 중 하나인 카이버 키 캡슐화 메커니즘(KEM)이 2023년 사이드 채널에 대응해 공개됐다. 공격의 보안 취약점.

실제 공격의 출현은 PQC 알고리즘을 배포할 때 잠재적인 취약점을 신속하게 확인하고 복구하는 것의 중요성을 강조하며, 실제 애플리케이션 시나리오에서 보안을 향상시키기 위해 PQC 알고리즘의 지속적인 개선과 발전을 촉발합니다.

암호기술은 국가 안보에 매우 중요한 위치에 있습니다. 디지털 세계를 안전하게 유지하려면 PQC 기술은 언제든지 새로운 위협에 적응할 수 있도록 지속적으로 발전하고 업데이트되어야 합니다.

4.3 양자통신망과 양자인터넷

(1) 우리나라 양자통신 보안망 구축 현황

양자보안 통신망의 핵심 장비로는 QKD 제품, 채널 및 핵심 네트워킹 교환 제품 등이 있다. 현재 달성 가능한 양자 보안 통신 네트워크에는 근거리 네트워크, 수도권 네트워크 및 백본 네트워크가 포함됩니다.

근거리 통신망은 한 단위 또는 위치에서 여러 터미널의 액세스를 실현하고 먼 거리 요구 사항을 갖지 않습니다. 수도권 통신망은 업링크 백본 네트워크와 다운링크 로컬 연결을 담당하며 도시 내 여러 영역의 연결을 담당합니다. 지역 네트워크 및 백본 네트워크는 지역 간 및 국경 간 통신을 실현합니다. 도시 연결(지상 광섬유 및 위성-지상국 구현 방법 포함)은 현재 거리 요구 사항이 높은 지상 광섬유가 지배합니다.

2016년 8월, 우리나라는 세계 최초의 양자과학 실험위성인 모지(Mozi)를 성공적으로 발사하여 위성과 지상 사이의 양자통신을 달성한 세계 최초의 국가가 되었으며, 글로벌 양자통신을 달성하기 위한 위성 플랫폼의 사용을 완전히 검증했습니다. 실행할 수 있음.

2018년에는 국가발전개혁위원회의 승인을 받아 중국과학원 자회사인 국과양자통신네트워크유한공사가 전국 광역 양자 보안 통신 1단계 구축 임무를 맡았다. 백본 네트워크는 2022년에 전체 라인이 완성되고 승인될 예정입니다. 국가 양자 백본 네트워크는 베이징-천진-허베이, 장강 삼각주, 광둥-홍콩-마카오 대만 지역, 청두-충칭 경제권 등 중요한 국가 전략 지역을 포괄합니다. 지상 간선의 총 마일리지는 초과됩니다. 10,000km. 세계 최초이자 현재 유일한 대규모 양자 백본 네트워크입니다.

2023년 6월, 제5회 장강 삼각주 통합 개발 고위급 포럼에서 Guoke Quantum이 구축하고 운영하는 장강 삼각주 지역 양자 보안 통신 백본 네트워크의 구축 결과가 발표되었습니다. 장강 삼각주 지역의 양자 보안 통신 백본 네트워크의 총 마일리지는 약 2,860km에 달하며 허페이와 상하이를 핵심 노드로 하는 링 네트워크를 형성하고 난징, 항저우, 우시, 금화, 우후 및 기타 도시를 연결합니다.

대도시 지역 네트워크 측면에서 2022년 8월 안후이성 허페이는 허페이 양자 대도시 지역 네트워크를 개설했습니다. 네트워크 사이트와 159개 액세스 네트워크 사이트, 광섬유의 총 길이는 1147km입니다.

현재 20~30개 도시가 자체 양자 광역 네트워크를 보유하고 있으며, 양자 백본 네트워크 간선 구축도 해당 지원 도시의 수도권 네트워크 구축을 가속화할 것으로 예상된다. 상하이를 예로 들면, 2024년 3월 22일 개최된 상하이 산업 기술 혁신 컨퍼런스에서 Shanghai Telecom은 상하이 지역에 양자 보안 통신 대도시 지역 네트워크를 구축할 계획이라고 밝혔습니다. 2024년 전국 최초의 양자통신망 실용화 벤치마크 사례

양자 백본 네트워크 구축에 대한 투자와 전체 프로젝트 규모는 상당히 크지만, 현재는 기존 프로젝트에 비해 양자 네트워크 애플리케이션과 고객 그룹이 적습니다. 따라서 전체 양자 네트워크 구축을 가속화하려면 후속 양자 응용 프로그램을 다양한 업계에서 공동으로 추진해야 합니다.

국무원 국유자산감독관리위원회는 '4대 신'(신궤도, 신기술, 신플랫폼, 신메커니즘) 표준에 따라 최근 1차 창업 기업을 선정하고 확정했다. 새로운 분야와 새로운 트랙의 레이아웃을 가속화하고, 새로운 생산력을 육성 및 개발하며, 인공 지능, 양자 정보 및 생물 의학과 같은 신흥 분야에 집중합니다.

앞서 2024년 1월에는 공업정보화부, 과학기술부, 국무원 국유자산감독관리위원회 등 7개 부처가 공동으로 '미래산업혁신촉진에 관한 이행의견'을 발표했다. 개발'을 발표하고 차세대 이동통신, 위성 인터넷의 산업 응용, 양자 정보 및 기타 기술을 촉진하기 위해 새로운 트랙을 적극적으로 배포할 것을 제안했습니다.

관련 정책의 집중 발표는 양자 통신 기술의 중요성에 대한 우리나라의 이해를 반영하고, 산업 발전을 위한 강력한 정책 지원을 제공하며, 향후 중국의 양자 통신 산업이 새로운 단계에 도달하도록 촉진할 것으로 예상됩니다.

(2) 양자인터넷

양자인터넷(Quantum Internet)은 양자정보기술을 기반으로 한 새로운 통신 네트워크 개념으로, 양자역학의 원리를 이용해 데이터의 생성, 저장, 전송, 처리를 구현한다. 고전 물리학 원리를 기반으로 한 기존 인터넷과 달리, 양자 인터넷의 핵심은 큐비트와 양자 얽힘의 특성을 활용해 보다 안전하고 효율적인 통신 기능을 제공하는 데 있다.

양자 인터넷은 양자 정보를 절대적으로 안전하게 전송하는 것 외에도 양자 센서와 양자 컴퓨터를 사용하여 양자 정밀 측정, 양자 디지털 비자, 분산 양자 컴퓨팅 등에 참여할 수 있습니다.

양자 인터넷에는 세 가지 주요 사항이 있습니다. 첫째, 네트워크에 연결된 장치는 양자 장치입니다. 둘째, 네트워크는 양자 정보를 전송합니다. 셋째, 네트워크 전송 방법은 양자 역학을 기반으로 합니다.

일부 양자 통신 위성과 지상 기지국이 구축되고 지역 간 양자 키 배포가 성공적으로 달성되었지만 글로벌 양자 인터넷을 구축하는 것은 여전히 ​​실제 상황에서 보안 문제를 해결해야 하는 엄청난 기술 및 엔지니어링 과제에 직면해 있습니다. 장거리 전송 문제.

현재 광섬유를 활용한 점대점 QKD의 안전거리는 약 100㎞에 이른다. 기존 기술로는 신뢰할 수 있는 중계기를 통해 양자통신 거리를 효과적으로 늘릴 수 있다.

2017년 우리나라의 양자보안 통신 간선선 '베이징-상하이 간선'은 32개의 중계 노드를 통해 약 2,000km의 도시간 광섬유 양자 네트워크 전체를 연결하고 양자 위성 '모지'와 도킹에 성공해 세계를 구축했다. 최초의 별-지상 양자 인터넷.

2018년 1월 중국과 오스트리아는 처음으로 7,600km 거리에 걸쳐 대륙간 양자 키 분배를 달성했으며, 공유 키를 사용하여 암호화된 데이터 전송 및 영상 통신을 달성함으로써 "Mozi"가 대륙간 양자 키를 달성할 수 있음을 나타냈습니다. 키 배포 능력.

인터넷의 발명은 인류를 정보화 시대로 이끌었고, 양자인터넷은 세상을 변화시킬 수 있는 기회를 제공할 것입니다. 세계 주요 국가들은 활발하게 계획을 세우고 있습니다. 2020년 8월, 미국 에너지부는 10년 내 국가 양자 인터넷 구축을 위한 전략적 청사진을 제시하는 '신통신 시대를 선도하기 위한 국가 양자 네트워크 구축' 보고서를 발표했습니다.

일반적으로 상용 양자컴퓨터는 아직 대규모로 적용되지 않았으며, 양자컴퓨터를 연결하는 양자인터넷은 아직까지 여러 나라에서 추진하고 있는 QKD 양자보안 통신망이 양자인터넷의 원형이다. 양자 인터넷의 목표는 양자 컴퓨팅, 양자 측정 및 기타 기능 통합을 결합하는 것입니다.

4.4 양자통신의 응용

ICV 예측에 따르면 전 세계 양자 통신 시장은 2021년 약 23억 달러, 2025년까지 153억 달러, 2030년까지 421억 달러로 성장할 것으로 예상되며, 2021년부터 2030년까지 연평균 성장률(CAGR)은 약 34%일 것으로 예상됩니다. .

양자 통신 산업 체인은 주로 업스트림 구성 요소 및 핵심 장비, 미드스트림 네트워크 전송 라인 및 시스템 플랫폼, 다운스트림 보안 애플리케이션 시장으로 구분됩니다. 현재 양자통신 시장은 여전히 ​​통신 네트워크 인프라 구축 단계에 있으며, 핵심 장비와 솔루션은 여전히 ​​산업체인의 핵심이다. ICV 데이터에 따르면 업스트림 및 미드스트림 핵심 장비 및 솔루션 시장 규모는 2025년 약 122억4천만 달러로 전체 시장의 80%를 차지할 것으로 예상된다.

현재 우리나라의 양자 통신 인프라 구축 상황으로 볼 때, 12,000km가 넘는 양자 백본 네트워크 구축이 완료되었습니다. 전체 계획에 따르면 향후 베이징에서 란저우, 장자커우, 시안 및 기타 지역까지 약 20,000km에 달하는 백본 네트워크가 구축될 수 있습니다.

우리나라의 양자통신 네트워크 인프라가 더욱 개선되면서 다운스트림 상용 애플리케이션도 기대해볼 만하다. ICV 컨설팅 데이터에 따르면 2021년 양자 통신 다운스트림 애플리케이션 시장 규모는 약 2억 3천만 달러로 2025년에는 30억 6천만 달러, 2030년에는 117억 8,800만 달러에 이를 것으로 예상됩니다. 2021년 CAGR 2030년에는 약 54.87%입니다.

현재 양자 보안 통신은 여전히 ​​국방, 금융, 정부 업무 등의 분야로 제한되어 있다. 앞으로 양자 통신 산업은 더 많은 다운스트림 시나리오를 강화할 것이며 관련 기업은 더 많은 상용 응용 분야를 적극적으로 탐색하고 있다.

그 중 Guodun Quantum은 양자 보안 기술을 빅데이터, 클라우드 컴퓨팅, 사물인터넷, 인공지능 등과 통합하여 'Quantum+' 산업 생태계를 공동으로 추진하는 공동 파트너입니다. Guodun Quantum과 China Telecom은 "Quantum Security OTN Private Line" 및 "Quantum Encrypted Intercom"과 같은 제품과 서비스를 공동 출시했습니다. Guodun Quantum과 그 합작 서비스의 사용자 수는 이제 100만 명을 넘었습니다. - 주식 회사 Zhejiang Guodun Electricity는 전력 분야에서 '양자 + 5G' 응용 시연을 진행했습니다. 저장성 최초의 '양자 + 변전소'가 Shaoxing에서 가동되었습니다. "Quantum Security Application Portal"과 같은 일련의 보안 사무용 제품을 공동 개발합니다.

양자 키 분배(QKD) 네트워킹 기술이 성숙해지고 단말 장비가 모바일화되고 소형화됨에 따라 양자 보안 통신 애플리케이션은 통신 네트워크, 기업 네트워크, 개인 홈 네트워크 및 기타 분야로 확장될 것입니다.

5. 양자 정밀 측정

양자정밀측정기술은 양자역학을 기본이론으로 하여 입자 에너지 준위 천이, 양자 얽힘, 양자 결맞음 등의 기술적 원리를 이용하여 원자, 광자 등의 미세한 입자의 양자 상태를 준비, 측정, 판독하는 기술입니다. 자기장, 주파수, 전기장, 시간, 길이 등과 같은 물리적 매개변수의 고정밀 정밀 측정과 같은 물리적 매개변수를 실현합니다.

5.1 양자정밀측정의 정의

양자 정밀 측정을 위한 중요한 기술적 수단으로는 양자역학의 기본 속성이기도 한 미세 입자 에너지 준위 측정, 양자 응집성 중첩 측정, 양자 얽힘 측정 등이 있습니다.

(1) 미세한 입자 에너지 준위 측정에 기초

보어의 원자 이론에 따르면, 원자는 높은 "에너지 상태"에서 낮은 "에너지 상태"로 전환될 때 전자기파를 방출합니다. 이 전자기파 특성 주파수는 불연속적입니다. 측정하려는 물리량이 양자계와 상호 작용하면 양자계는 에너지 준위 전이, 에너지 준위 분할 또는 축퇴 등의 변화를 겪게 되며, 이때 양자계는 스펙트럼과 방사선의 에너지를 방출하거나 흡수하게 됩니다. 또는 흡수 스펙트럼은 물리량과 관련하여 측정되는 에너지의 양과 관련됩니다. 미세한 입자 에너지 준위 측정을 기반으로 하는 기술은 외부 환경(예: 온도, 자기장 등)에 대한 요구 사항이 높으며 양자 상태 조작 기술에 의존합니다. 예를 들어, 1967년에는 세슘 원자의 전자 에너지 준위 전이 기간의 9192631770배를 1초로 정의했는데, 이는 미세한 입자 에너지 준위의 기술적 원리를 적용한 것입니다.

(2) 양자 일관성에 기초한 측정

양자 결맞음에 기초한 측정 기술은 주로 양자계의 변동 특성을 활용하는데, 두 원자빔이 간섭하면 측정하려는 물리량이 서로 다른 영향을 미치게 되어 위상차에 반영됩니다. 원자빔의. 원자 자이로스코프, 중력 경도계 등은 양자 일관성에 기반한 기술 원리를 사용합니다. 중력 탐지, 관성 항법 등의 분야에서는 양자 일관성을 기반으로 한 기술적 수단이 적용되었습니다. 다음 개발 추세는 시스템 실용성을 높이기 위한 소형화 및 칩 개발입니다.

(3) 양자얽힘에 기초한 측정

양자 얽힘을 기반으로 한 측정 기술은 n개 양자를 얽힌 상태로 만듭니다. n개 양자에 대한 외부 환경의 영향이 일관되게 중첩되어 최종 측정 정확도가 단일 양자의 1/n에 도달합니다. 이 정확도는 고전 역학의 샷 노이즈 한계를 뛰어넘고 양자역학 이론 범위 내에서 달성할 수 있는 최고의 정확도인 하이젠베르크 한계입니다. 현재 양자얽힘을 기반으로 한 측정기술의 응용분야로는 양자통신, 양자위성항법, 양자레이더 등이 있다.

간단히 말하면, 양자정밀측정은 양자중첩과 양자얽힘의 성질을 이용하여 기존 측정기술의 고전적인 한계를 기본원리에서 벗어나 온도, 자기장, 압력, 시간, 길이 등 환경의 다양한 변화를 결합하는 것이다. 무게 등 다양한 기본 물리량과 파생량이 양자한계까지 올라갔습니다.

5.2 양자정밀측정기술의 개발현황 및 어려움

양자 정보의 세 가지 주요 분야 중 양자 측정은 다양한 기술 방향, 풍부한 응용 시나리오 및 명확한 산업화 전망이라는 특징을 가지고 있습니다. 양자 측정의 각 기술 방향에 대한 개발 성숙도는 상당히 다릅니다. 원자시계, 원자 중력계와 같은 성숙한 상용 제품뿐만 아니라 공학 연구 및 연구에 사용되는 양자 자력계, 광학 양자 레이더 및 양자 자이로스코프와 같은 프로토타입 제품도 있습니다. 시스템 기술 문제를 해결하는 과정에 있는 양자 상관 이미징 및 Rydberg 원자 안테나와 같은 프로토타입뿐만 아니라 개발 및 응용 탐색 단계도 포함됩니다.

양자 정밀 측정 기술의 발전에는 양자 물리학, 재료 과학, 광학, 전자 및 기타 분야의 교차 융합과 혁신이 필요하며 다음과 같은 많은 기술적 어려움에 직면해 있습니다.

(1) 양자 얽힘의 생성 및 유지: 양자 얽힘은 양자 정밀 측정의 핵심 자원이지만, 실험에서 고품질의 얽힌 상태를 생성하는 것이 쉽지 않으며, 얽힌 상태는 외부 환경의 간섭으로 인해 쉽게 풀립니다( 즉, 결맞음).

(2) 결맞음 및 잡음 제어: 양자 시스템은 매우 취약하고 외부 환경에 쉽게 영향을 받아 양자 상태의 결맞음으로 이어집니다. 동시에 열 잡음, 전자기 잡음 등과 같은 다양한 잡음 소스도 측정 결과를 방해합니다. 따라서 고정밀 측정을 위해서는 노이즈와 결맞음에 대한 탁월한 제어가 필요합니다.

(3) 검출기 효율성 및 분해능: 양자 정밀 측정에는 양자 상태를 감지하기 위해 고효율 및 고해상도 검출기가 필요한 경우가 많습니다. 현재의 검출기는 특히 검출 효율성과 시간적 분해능 측면에서 여전히 개선의 여지가 있습니다.

(4) 시스템 교정 및 오류 분석: 측정의 정확성을 보장하기 위해서는 양자 측정 시스템을 정확하게 교정해야 합니다. 또한, 측정 결과의 오류 분석도 매우 복잡하며, 체계적 오류, 통계적 오류 등 많은 요소를 고려해야 합니다.

(5) 양자 상태 제어: 양자 정밀 측정에는 특정 양자 상태 준비 및 정확한 양자 상태 변환 달성을 포함하여 양자 상태의 정밀한 제어가 필요한 경우가 많습니다. 이러한 작업에는 매우 높은 실험 기술이 필요합니다.

(6) 재료 및 장치 개발: 양자점, 초전도 양자 간섭계 등 양자 정밀 측정을 위한 재료 및 장치를 만드는 것은 양자 측정의 요구를 충족할 뿐만 아니라 안정성과 반복성을 갖추어야 합니다. 재료 과학과 장치 공학 모두에 도전합니다.

(7) 대규모 양자 시스템의 확장성: 소규모 양자 시스템을 비교적 정밀하게 제어할 수 있었지만, 더 높은 정밀도의 측정 결과를 얻기 위해 이러한 기술을 대규모 시스템으로 확장하는 방법은 여전히 ​​​​과제입니다. 문제입니다.

양자 기술의 지속적인 발전으로 이러한 어려움은 점차 극복되어 양자 정밀 측정의 실용화 분야로의 확장이 촉진될 것입니다. 국제 계측 시스템은 고전 물리학에 기초한 물리적 표준에서 "양자 표준"으로 발전하고 전환하는 시기에 있습니다.

2021년 국무원이 발표한 '측정 발전 계획(2021~2035)'과 2022년 국무원이 발표한 '시장 감독 현대화 14차 5개년 계획'에서는 국가 현대화 선진 측정 시스템 구축의 필요성이 명확히 언급됐다. 양자 계측학을 핵심 시스템으로 하여 양자 측정 표준을 개발 및 확립하고 양자 효과 및 물리 상수를 기반으로 한 양자 측정 기술을 연구하며 측정 표준의 업그레이드를 추진해야 합니다.

5.3 양자정밀측정의 응용

ICV 데이터에 따르면 글로벌 양자정밀밀도 시장 규모는 2023년 14억7000만 달러에서 2035년 39억 달러로 연평균 성장률 7.79%로 지속적인 상승세를 보일 것으로 예상된다. 그 중 양자시계, 양자 중력계 및 경도계, 양자 자력계 등 세 가지 주요 시장 부문은 시장 규모가 크며 양자 정밀 측정 시장의 약 85%를 차지합니다.

(1) 양자시계

상대적으로 성숙한 양자 정밀 측정 제품인 원자시계는 매우 정확하고 안정적인 시간 측정 기능을 갖추고 있습니다. 현재 광학원자시계 기술은 철도이동통신, 데이터센터, 국방, 과학측량 등 다양한 산업으로 응용분야가 급속히 확대되고 있다. 이러한 추세는 광학 원자시계가 과학 실험실에서 좋은 성능을 발휘할 뿐만 아니라 다양한 산업 분야에 정확한 시간 측정 및 동기화 서비스를 제공하는 실용적인 응용 분야로 점차 확대되고 있음을 보여줍니다.

양자시계는 매우 높은 안정성과 정확성으로 인해 많은 분야에서 중요한 역할을 할 수 있습니다. 다음은 몇 가지 주요 애플리케이션 시나리오입니다.

GPS(Global Positioning System) 및 위성 내비게이션: 양자 시계는 GPS 및 기타 위성 내비게이션 시스템의 정확도를 향상시키는 데 사용될 수 있습니다. 이러한 시스템은 위치 정보를 계산하기 위해 정확한 시간 측정에 의존하기 때문에 양자 시계는 성능과 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

과학 연구: 물리학 실험, 특히 매우 작은 시간 차이를 측정하는 실험은 양자 시계의 높은 정밀도와 안정성의 이점을 누릴 수 있습니다. 여기에는 기본 물리 상수 측정, 정밀 양자 실험, 천체 물리학 관찰 및 우주의 기본 법칙 탐구가 포함됩니다.

통신 네트워크: 양자 시계는 고속 데이터 전송 및 통신 시스템의 신뢰성을 유지하는 데 중요한 네트워크 동기화의 정확성을 향상시킬 수 있습니다. 데이터 센터와 네트워크 인프라가 지속적으로 확장됨에 따라 시간 동기화에 대한 필요성도 계속 커지고 있습니다.

금융 거래: 금융 업계에서 거래에는 정확한 타임스탬프가 필요합니다. 양자시계의 정밀도는 특히 고주파 거래에서 거래 시스템의 투명성과 공정성을 향상시키는 데 사용될 수 있습니다.

군사 및 국방: 정확한 시간 측정은 현대 군사 통신, 항법, 정보 수집 및 무기 시스템에 매우 중요합니다. 양자 시계는 이러한 시스템의 성능과 정확성을 향상시킬 수 있습니다.

양자 컴퓨팅 및 양자 정보: 양자 시계는 양자 비트(큐비트) 상태의 정밀한 제어 및 측정에 의존하는 양자 컴퓨터 및 양자 통신 분야에서도 중요한 역할을 할 수 있습니다.

지구물리학 및 기후 모니터링: 양자시계는 기후 변화와 자연 재해를 이해하고 예측하는 데 중요한 데이터인 지구의 자전, 지각 운동 및 해수면 변화를 보다 정확하게 모니터링하는 데 사용될 것으로 예상됩니다.

심우주 탐사: 심우주 임무에서 양자 시계는 보다 정확한 탐색 및 제어를 제공하여 우주선이 우주에서 장거리를 이동할 수 있도록 도와줍니다.

ICV 데이터에 따르면 양자시계 시장은 2023년부터 2035년까지 꾸준한 성장 추세를 보일 것으로 예상된다. 시장 규모는 2023년 5억8천만 달러에서 12억1천만 달러로 증가하고 연평균 복합성장률(CAGR) 5.77%를 기록할 전망이다.

(2) 양자중력계

양자 중력계는 양자 역학의 원리를 사용하여 지구의 중력장을 측정하는 고정밀 장비입니다. 이러한 장치는 일반적으로 극저온 원자 구름을 사용하여 원자의 자유 낙하 운동을 정밀하게 측정함으로써 중력장의 작은 변화를 감지합니다. 양자 중력계는 원자의 파동 함수(또는 상태)가 분할, 전달 및 재결합되어 측정 가능한 간섭 패턴을 생성하는 양자 물리학 현상인 양자 간섭을 기반으로 작동합니다.

과학 연구 및 엔지니어링 응용 분야에서 중력장 및 중력 기울기의 정확한 측정에 대한 요구가 계속 증가함에 따라 양자 중력계 및 양자 중력 경도계는 높은 동적 장면 신뢰성과 드리프트가 없다는 장점으로 인해 현장에서 널리 사용되었습니다.

지구물리학 연구: 지각변동탐지, 지진모니터링, 화산활동 연구, 지하수위 측정 등

광물 및 석유 탐사: 지하 암석의 밀도 분포를 결정하여 광물 자원 및 유전을 발견하는 데 도움을 줍니다.

엔지니어링 및 건설: 건설 프로젝트에서는 기초의 안정성을 평가하기 위해 중력 변화를 모니터링합니다.

국방 및 국가 안보: 양자 중력계의 고정밀 측정 기능은 수중 항법 및 지하 구조물 탐지와 같은 국방 부문에서 잠재적으로 응용될 수 있습니다.

내비게이션 시스템: 정확한 지상 참조 데이터가 필요한 잠수함이나 기타 차량에 대한 정확한 관성 항법 정보를 제공합니다.

현재 양자 중력계와 경도계는 주로 군사 분야에서 사용됩니다. ICV 데이터에 따르면 2023년 군사 및 방위 분야가 시장 점유율의 44%를 차지했고, 연구 분야가 33%의 점유율을 차지했으며, 석유 및 가스 탐사와 관련된 민간 시장은 23%를 차지했습니다.

기술이 계속 성숙해지고 다운스트림 애플리케이션 시장이 계속 확장됨에 따라 제품 가격과 성능이 중요한 역할을 할 것입니다. 민간 ​​시장은 양자 중력계 및 양자 중력 경도계 시장에서 강력한 성장을 가져올 것입니다. 시장 규모는 2023년 1억 7천만 달러에서 2035년 10억 7천만 달러로 연평균 성장률 15.21%로 급속히 성장해 이 분야의 엄청난 잠재력을 입증할 것입니다.

(3) 양자자력계

양자 자력계는 양자 효과를 사용하여 자기장의 강도를 측정하는 장비입니다. 일반적으로 기존 자력계보다 민감하며 극도로 약한 자기장을 감지할 수 있습니다. 양자 자력계가 작동하는 기본 원리는 특정 물질(일반적으로 원자 또는 전자)의 양자 상태가 외부 자기장의 영향을 받을 때 에너지 수준이 변경된다는 것입니다. 이러한 에너지 수준의 변화를 정확하게 측정함으로써 자기장의 세기를 추론할 수 있습니다.

현재 양자 자력계 시장에서는 기술적 다양성이 주목할만한 특징이다. 양성자 자력계, SQUID 자력계, OPM 자력계, SERF 자력계, NV 컬러 센터 자력계 등을 포함한 다양한 기술은 모두 다양한 애플리케이션 시나리오에서 고유한 이점을 제공합니다. 이를 통해 시장은 기술 분야에서 다양하고 광범위한 선택을 제시할 수 있습니다.

양자 자력계는 높은 감도와 정확도를 가지며 다양한 분야에서 광범위한 응용 시나리오를 가지고 있습니다. 다음은 몇 가지 주요 응용 시나리오입니다.

지구물리학적 탐사: 양자 자력계는 철광석과 같은 자성 광물을 땅에서 감지하는 데 사용될 수 있으며, 이는 지질학자가 광물 자원을 식별하는 데 도움이 됩니다. 또한 지자기장의 변화를 모니터링하여 지진 및 기타 지질학적 사건을 예측하는 데 사용할 수 있습니다.

의료 영상: 자기공명영상(MRI)에서 양자 자력계는 영상의 해상도와 품질을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한 미래에 무방사선 의료 영상 방법이 될 것으로 기대되는 신흥 영상 기술인 자기 입자 영상(MPI)에도 사용할 수 있습니다.

생물학적 연구: 양자 자력계는 살아있는 유기체의 약한 자기장을 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 예를 들어 심장의 자기장 변화를 모니터링하여 심장병을 연구하거나 신경계의 신호를 추적하는 데 사용할 수 있습니다.

군사 및 보안: 군사 분야에서는 양자 자력계를 사용하여 잠수함, 지뢰 또는 기타 숨겨진 금속 물체를 탐지할 수 있습니다. 또한 스파이 장치가 청취 및 모니터링하는 것을 방지하는 데 사용할 수 있습니다.

우주 및 천체 물리학: 양자 자력계는 우주의 약한 자기장을 감지하여 태양풍, 행성 자기장, 성간 자기장과 같은 현상을 연구하는 데 도움이 됩니다.

기초 물리학 연구: 실험 물리학에서 양자 자력계는 극도로 약한 자기장을 감지하는 데 사용될 수 있으며, 이는 입자 물리학, 양자 물리학, 응집 물질 물리학과 같은 분야의 연구에 매우 중요합니다.

산업용 응용 분야: 양자 자력계는 파이프라인, 항공기 및 교량의 작은 균열 및 부식을 감지하여 구조물의 안전을 보장하는 등 비파괴 테스트에 사용할 수 있습니다.

양자 자력계는 과학 연구, 특히 물리학, 지구 과학 및 생물 의학 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 동시에 산업 분야에서는 양자 자력계가 자성 재료 테스트, 전자 제조 등에 널리 사용됩니다. 이러한 애플리케이션의 확장은 시장 규모의 성장을 더욱 촉진합니다.

ICV 데이터에 따르면 양자 자력계 시장은 2023년부터 2035년까지 꾸준한 성장을 보일 것이며, 2023년 4억 8천만 달러에서 2035년 10억 달러로 성장할 것입니다. 이러한 성장 추세는 주로 과학 연구, 산업 및 기타 분야에 의해 주도됩니다. 현장에서 고정밀 자기 측정에 대한 지속적인 요구가 있습니다.

6. 양자기술 투자 파노라마

6.1 양자기술 기업지도

(1) 양자컴퓨팅 분야 주요 기업

(2) 양자통신 분야 주요 기업

(3) 양자측정 분야 주요 기업

6.2 국내 주요 양자기술 기업 평가

이 보고서에 대한 참고자료

[1] 장칭루이(Zhang Qingrui), "퀀텀 메가트렌드"

[2]iCV&Photon Box, "2024년 글로벌 양자 컴퓨팅 산업 발전 전망"

[3]iCV&Photon Box, "2024년 글로벌 양자통신 및 보안 산업 발전 전망"

[4]iCV&Photon Box, "2024년 글로벌 양자 정밀 측정 산업 발전 전망"

[5] 소주증권, "양자정보: 차세대 정보혁명"

데이터가 보여줍니다

자료│사례│의견출처

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제작: 중국경제신문丨중국경제신문투자연구센터

편집장: Qian Kun

주요 작가: 왕위안리(Wang Yuanli)

편집자: 황 유

승인: Qian Kun 및 Huang Yu

비전: 푸 렐레

코디네이터: Zhu Guoquan 및 Zhou Jin

담당자: 왕 위안리왕위안리@yicai.com