Frequency subspace encoding for multiplexed quantum secret sharing

보안 통신 분야에서 과학자들은 정보를 보호하기 위해 양자 역학의 기묘한 법칙에 오랫동안 의존해 왔습니다. 메시지를 읽으려는 시도 자체가 메시지를 변화시켜, 누군가 엿듣고 있다는 사실을 송신자에게 알리는 시스템을 상상해 보십시오. 이것이 이미 두 사람 사이의 깨지지 않는 암호 코드를 생성하는 데 사용되는 방식인 양자 키 분배의 기초입니다. 그러나 비밀이 세 명 이상의 사람들 사이에 공유되어야 하고, 어느 누구도 전체 답을 가지고 있지 않으며, 그룹이 협력하여 진실을 재구성해야 할 때는 더 복잡한 과제가 발생합니다. 이것이 양자 비밀 공유(quantum secret sharing)로 알려진 것입니다. 이론은 타당하지만, 많은 사용자를 동시에 처리할 수 있는 네트워크를 구축하는 것은 어려웠습니다. 전통적인 방식은 사용자 쌍마다 별도의 전용 광원을 필요로 하거나, 빛의 빔 전체에 한 번에 영향을 미치는 단일 제어 신호를 적용합니다. 이는 동일한 광섬유 케이블을 통해 서로 다른 그룹의 사람들에게 동시에 서로 다른 비밀을 보내는 것을 불가능하게 만들었으며, 이러한 한계는 대규모 양자 네트워크의 발전을 가로막아 왔습니다.

프리드리히 쉴러 예나 대학교와 프라운호퍼 응용 광학 및 정밀 공학 연구소의 연구진은 이제 이 병목 현상을 극복할 수 있는 방법을 입증했습니다. 그들은 단일 얽힘 광자 소스가 여러 사용자 그룹에 동시에 서비스를 제공하며, 각 그룹이 자신만의 독립적인 비밀을 받을 수 있는 새로운 방법을 개발했습니다. 연구진은 빛을 하나의 균일한 빔이 아니라, 마치 프리즘이 백색광을 무지개로 나누듯 서로 다른 색상 채널의 집합으로 취급함으로써 이를 달성했습니다. 특정 색상 대역 내에서 빛의 파동 타이밍을 정밀하게 제어함으로써, 그들은 서로 간섭하지 않으면서도 동일한 빔의 서로 다른 부분에 서로 다른 비밀을 인코딩할 수 있었습니다. 이 접근 방식은 하나의 양자 소스를 보안 데이터를 위한 다차선 고속도로로 바꾸어 놓으며, 각 차선은 특정 수신자 쌍에게 고유한 메시지를 전달합니다.

이 실험은 성질이 완벽하게 상관관계가 있는 방식으로 연결된 광자 쌍(빛의 입자)을 생성하는 장치에 의존했습니다. 이 설정에서 한 광자는 '딜러(dealer)'라고 불리는 중앙 제어기로 보내지고, 다른 광자는 네트워크로 보내집니다. 그런 다음 딜러는 빛에 특정 유형의 변조를 가하여, 각 색상 채널에 대해 위상, 즉 파동의 타이밍을 독립적으로 변화시킵니다. 이는 라디오를 서로 다른 방송국에 맞추는 것과 비슷합니다. 라디오가 다른 방송을 듣지 않고 한 방송국만 잡아낼 수 있듯이, 연구진의 시스템은 나머지 채널은 무시하면서 특정 색상 채널에 인코딩된 비밀을 격리하여 읽을 수 있습니다. 연구진은 넓은 범위의 파장을 아우르는 광대역 광원을 사용하여 스펙트럼을 여러 개의 분리된 주파수 빈(bin)으로 나눴습니다. 그들은 이 채널 쌍 중 특정 쌍을 독립적인 통신 라인으로 선택하여, 한 쌍의 사용자 사이에서 공유되는 비밀이 다른 쌍이 사용하는 채널로 유출되지 않도록 보장했습니다.

이 방법이 작동함을 증명하기 위해, 연구진은 표준 통신 채널 그리드를 사용하여 시스템을 테스트했습니다. 그들은 현대 광섬유 네트워크에서 사용되는 표준인 200GHz 간격 내의 두 특정 채널에 걸쳐 비밀을 성공적으로 인코딩하고 전송했습니다. 결과는 그들이 생성한 양자 상태가 매우 정확하며, 이론적인 이상적 상태와 최소 90% 이상의 충실도(fidelity)를 일치시켰음을 보여주었습니다. 이러한 높은 정확도는 채널을 분리하기 위한 복잡한 조작에도 불구하고 정보가 온전하고 안전하게 유지되었음을 의미하므로 매우 중요합니다. 연구진은 환경 진동과 온도 변화에 대응하기 위해 실시간으로 장비를 조정하는 피드백 루프를 사용하여, 섬세한 양자 연결이 안정적으로 유지되는지 지속적으로 모니터링했습니다. 이러한 조정에도 불구하고 시스템은 높은 신호 품질을 유지했으며, 이는 이 방법이 실용적인 사용에 충분히 견고하다는 것을 입증합니다.

이 연구의 함의는 단 하나의 성공적인 실험 그 이상을 넘어섭니다. 연구진은 이 설정이 이론적으로 40개 이상의 서로 다른 주파수 채널을 지원할 수 있음을 보여주었으며, 이는 표준 장비를 사용하여 최대 9명의 사용자까지 연결되는 완전 연결 네트워크를 가능하게 합니다. 이러한 확장성은 중요한 진전인데, 왜냐하면 대규모 양자 네트워크를 만들기 위해 여러 개의 비싼 광원을 사용할 필요를 없애주기 때문입니다. 대신, 네트워크 중심에 있는 단일 소스가 적절한 필터를 갖춘 네트워크라면 어떤 수의 사용자 쌍에게도 비밀을 분배할 수 있습니다. 연구진은 현재의 시연에는 상대적으로 느린 속도로 작동하는 부품들이 사용되었지만, 근본적인 기술은 결국 현재의 인터넷 속도와 맞먹는 데이터를 처리할 수 있는 훨씬 빠른 현대적 장치들과 호환 가능하다는 점을 언급했습니다.

이 연구는 파장 분할 다중화 네트워크에서 양자 비밀 공유를 수행하는 것이 가능하다는 것을 확인해주었으며, 이는 개별 채널을 독립적으로 제어할 수 없다는 생각 때문에 이전에는 제한적이라고 여겨졌던 성과입니다. 빛 소스의 자연스러운 주파수 상관관계를 활용하고 정밀한 스펙트럼 위상 변조를 적용함으로써, 연구진은 더 효율적이고 확장 가능한 양자 암호화로 가는 길을 열었습니다. 이 연구가 이 분야의 모든 문제를 해결했다고 주장하는 것은 아니지만, 더 효율적인 양자 네트워크를 확장하기 위한 구체적이고 자원 효율적인 방법을 제공합니다. 단일 광섬유 케이블을 통해 여러 개의 독립적인 비밀 공유 세션을 실행할 수 있는 능력은, 많은 사용자를 안전하게 연결할 수 있는 미래의 양자 인터넷을 위한 인프라가 점점 더 실현 가능해지고 있음을 시사합니다. 범용 부품과 표준 통신 그리드를 사용하여 달성한 이 결과는, 실험실 실험에서 실제 응용 단계로의 전환이 가시권에 들어와 있음을 나타냅니다.