중국이 양자 R&D에 많은 투자하고 있다고

양자 경쟁에서 누가 이길까? 여러 가지로 볼 때, 그것은 중국일 것이다. 하지만 양자 물리학이 일상생활에 한 가지 교훈만 준다면, 현실은 측정하기 어렵다는 것이다.

그것이 사람들이 시도하는 것을 막지 못한다. 예를 들어, 호주 전략 정책 연구소가 가장 영향력 있는 출판된 장학금을 조사했을 때, 그것은 중국이 양자 과학의 네 가지 측면 중 세 가지 측면에서 앞서는 것을 발견했다. 다른 방법으로, 미첼 연구소의 전문가 헤더 페니는 최근 보고서에서, 비록 모든 특허가 거의 동등하지는 않지만, "중국은 이제 미국보다 두 배 더 많은 양자 특허를 가지고 있다"고 경고했다.

냉정하고 냉정한 현금을 비교해 보는 것은 어떨까? 페니는, 중국 정부가 양자에 투자한 금액이 미국의 3배 이상이 될 수도 있다고, 미국의 37억 달러에 비해 150억 달러가 넘는 공시가격 수치를 인용하면서 밝혔다. 아니면, 그녀는 나중에 중국 정부가 40억 달러만 투자한 것일 수도 있다는 판결을 인정한 것일 수도 있다. 불분명하다.

그것은 중국 정부의 지출이 불투명하기로 악명 높기 때문이다. 랜드 양자 인종 전문가 에드워드 파커는 "중국에서 자금 수준에 대한 상반된 보고는 드문 일이 아니다"라고 썼다. "중국 정부는 종종 야심 찬 (그리고 종종 고도로 정치화된) 지출 목표를 발표하는데, 이러한 목표들이 충족되지 않는 것은 드문 일이 아니다 … 그래서 우리는 중국 총 지출이 더 높은지 낮은지 결정할 수 없다."

하지만 중국정부의 예산편성이 모호해 보이는 것은, 양자문제에 있어서 불확정성 문제의 시작에 불과하며, 이로 인해 슈뢰딩거가 죽거나 살아있는 고양이 문제는 거의 단도직입적으로 보이게 된다. '양자'라는 것은, 사실, 관련 기술들의 전체 집합체로서, 하나의 것이 아니라, 서로 다른 응용분야와 잠재력을 가지고 있는 것으로 밝혀졌다. 미국과 중국은 서로 다른 측면에 우선순위를 두고 있으며, 게다가 미국정부는 중국정부의 베팅이 나쁜 것이라고 베팅하고 있다.

파커는 브레이킹 디펜스와의 인터뷰에서 "중국인들은 위의 모든 접근법을 취하고 있으며 양자에는 그들이 배제한 것이 없다"고 말했다. 이어 "미국의 접근법도 상당히 다양하다… 하지만 미국은 중국인들이 매우 많이 기대고 있는 몇 가지 구체적인 기술, 즉 양자키 분배와 양자레이더를 배제했다"고 말했다

감지: 양자 레이더

중국 소식통들이 미국의 스텔스기에 대항하는 수단으로 선전하는 '양자 레이더'를 생각해 보자. 페니는 "중국은 양자 레이더를 학술 연구뿐 아니라 에어쇼 마케팅 자료에서도 재밍에 강한 방첩 능력으로 공개적으로 메시지를 보냈다"고 썼다.

일반 레이더는 비행기에서 전파를 튕겨내고 반사된 메아리에서 표적의 위치를 계산하는 방식으로 작동한다. 스텔스는 전파를 흡수하고 방향을 바꾸므로 적 레이더가 작동하기에 충분한 반사 에너지를 받지 못한다. 하지만 양자 레이더는 훨씬 더 민감하기 때문에 이론적으로 약한 반사도 감지할 수 있다.

특히 양자 레이더는 아원자 입자 쌍이 "엉켜" 있을 수 있다는 사실을 이용한다고 페니와 파커는 설명했다. 센서는 얽힌 입자 다발을 생성하고 각 쌍의 한 입자를 보내 검색하는 한편 다른 입자는 참고하도록 유지한다. 검색 입자가 목표물에 부딪혀 튕겨나갈 때 레이더에 비교를 위한 기준 입자가 있기 때문에 희미한 반사를 더 쉽게 찾을 수 있다.

하지만 많은 미국 전문가들은 이 아이디어에 많은 문제가 있다고 봅니다.

전직 전투기 조종사였던 페니는 자신의 연구에 대한 브리핑에서 "양자 레이더는 멋지게 들린다. 그것은 사실 꽤 비실용적이다"라고 말했다. 그녀는 그 개념이 요구하는 기준 입자를 저장하거나, 그것들의 얽힘을 깨뜨리지 않고 그것들의 상태를 확인할 수 있는 만족스러운 방법은 없으며, 만일 당신이 그렇게 할 수 있다 하더라도, 이 중 어떤 것이 군사적으로 유용한 목표물의 추적으로 어떻게 변할 것인지는 명확하지 않다고 주장했다.

이 같은 회의론은 미국의 공감대를 반영한 것이다. 박 위원장은 이날 의회에서 제출받은 미·중 위원회에 출석해 "미군은 양자 레이더가 비현실적이라고 공개적으로 확인했다"고 밝혔다.

그는 후속 인터뷰에서 브레이킹 디펜스와의 인터뷰에서 "단 믿을 수 없을 정도로 많은 수의 얽힌 광자와 얽힌 광자를 생성하는 것은 매우 어렵다"며 "포톤을 저장하는 것조차 쉽지 않다"고 말했다. 이어 "양자 레이더는 비교를 위해 반사된 탐색 입자와 얽힌 기준 입자를 다시 조립해야 한다"며 "시기와 동기화 요구 사항은 엄청나게 어렵다"고 말했다

이에 비해 미국과 동맹국들은 서로 다른 종류의 양자 센서에 초점을 맞춰왔다. 이 센서들은 깨지기 쉬운 얽힘에 의존하는 대신 아원자 입자의 과민성을 이용해 자기나 중력의 미묘한 변화를 감지하는데, GPS 없이 항해하는 것부터 적의 잠수함을 사냥하는 것까지 응용된다. 중국이 비밀리에 그러한 기술을 연구할 수는 있었지만, 파커는 "유사한 공개 작전 실험"의 증거를 발견하지 못했다

물론 어떤 종류의 양자 센서가 가장 잘 작동하는지에 대한 미국의 공감대는 틀릴 수 있다. 양자 레이더에 베팅하는 것은 중국인들뿐만이 아니다: 프랑스, 캐나다, 오스트리아의 서구 연구자들도 유망한 결과를 주장했다고 허드슨 연구소의 양자 동맹 이니셔티브 책임자인 아서 허먼은 지적했으며, 한 연구는 기존 레이더보다 20% 개선되었다고 주장했다.

허먼은 "20퍼센트 향상이 돌파구처럼 들리는 것은 아니다"라고 인정했다. "그러나 [H-폭탄의 아버지] 에드워드 텔러가 말하곤 했듯이, '물리학이 작동하면 기술이 뒤따를 것이다.'

텔러의 말에는 일리가 있다. 하지만 미국이 냉전 초기에 원자력 비행기와 지프로 연료를 공급하는 핵폭탄 실험을 했던 것처럼 기술적으로 실현 가능한 것이 항상 군사적으로 실용적인 것만은 아니다. 그 문제는 특히 중국이 양자과학 분야에서 벌이고 있는 또 다른 큰 내기, 즉 양자키 분배와 관련이 있는데, 미국의 국방 합의도 이를 무시하고 있다.

통신: 양자 키 분배

"멀리 떨어진 곳에서 스푸키한 행동." 이것은 양자 얽힘에 대한 알버트 아인슈타인의 조소적인 설명이었는데, 당시 논란이 됐던 아이디어는 아원자 입자 한 쌍이 너무나 우주적으로 상호의존적이 되어서, 그 둘 중 하나가 아무리 멀리 떨어져 있더라도, 다른 하나는 순간적으로 바뀔 수 있다는 것이었다. 이 위대한 과학자는 비웃었다.

물론 아인슈타인은 틀렸다. 2022년 노벨 물리학상은 1970년대와 80년대에 실험적으로 "멀리서 으스스한 행동"을 증명한 과학자들에게 영예를 안겼다. 그리고 2017년에 중국의 위성인 '마이키우스'가 유교의 현자의 이름을 따서 얽히고설킨 입자들을 사용하여 처음으로 우주와 땅 사이에 메시지를 보내는 성과를 거두었는데, 이 성과는 전 세계적으로 환호를 받았다. 그 이후로, 중국은 더 높은 궤도에서 훨씬 더 많은 계획을 가지고 그러한 위성을 두 번째로 발사하였고, 베이징과 상하이 사이에 2,000 마일의 지상 연결을 만들었는데, 이 모든 위성들은 동일한 "양자 키 분배"의 원리를 사용하였다

군사기획자와 중국의 권위주의 엘리트 모두에게 "QKD"의 매력은 비밀주의이다: 이론적으로, 승인되지 않은 제3자가 그러한 전송을 가로채는 것은 불가능하다. 왜냐하면 각 메시지를 보안하는 데 사용되는 "양자 키"는 외부 자극에 너무 민감한 아원자 입자이기 때문에, 단지 하나를 측정하는 것, 즉 어떤 정보를 인코딩하는지 알아야 하는 것, 즉 메시지가 읽기 전에 메시지를 스크램블링하여 상태(즉, 관찰자 효과)를 변화시킬 것이기 때문이다.

(마치 누군가가 이메일의 모든 글자를 무작위로 바꾼 것처럼, 독자들은 무언가 잘못되었다는 것을 알게 될 것이지만, 원문이 무엇을 말했는지는 알지 못할 것이다.) 적들이 독자 분의 QKD로 암호화된 메시지를 읽을 수 없을지도 모르지만, 그 메시지들이 독자 분을 쉽게 읽지 못하게 할 수도 있다. 게다가 특히 전시에는, 이러한 메시지가 충분히 피해를 입힐 수도 있기 때문에, 주요 군대들이 통신을 방해하는 임무를 맡고 있는 전용 전자전 부대들을 보유하고 있는 것이다.

파커는 브레이킹 디펜스와의 인터뷰에서, "QKD는 대단히 취약하기 때문에 QKD 신호를 도청하는 것은 어렵지만, 사실 방해만 하는 것은 매우 쉽습니다." 라고 말했다. 예를 들어, 마이키우스 위성은 달이 떠있지 않은 밤에만 작동했는데, 그 이유는 햇빛은 고사하고 달빛이 그 신호를 압도하기 때문이다. 이제, 주요 국가의 전자전 부대들이 그러한 간섭을 의도적으로 일으키는 것이 얼마나 쉬운 일인지 상상해 보아라.

적이 QKD로 암호화된 전송을 듣자마자, 페니는 "암호화가 붕괴되었고, 당신은 모든 과정을 다시 시작해야 한다"고 동의했다. 그래서 그것은 유효한 군 통신 시스템이 아니라고, 그녀는 기자들에게 말했다: "그것은 기본적으로 스턴트이다. … 그것은 미국이 가고 있거나 우리의 파트너들이 들어가기를 원하는 방향이 아니다."

실제로 2020년 국가안보국은 QKD나 군사·정보 목적으로 사용하지 말라고 경고하는 공개 권고문을 발표했다. NSA는 방해하기 쉬운 것뿐만 아니라 다른 보안 취약점과 필요한 전문 하드웨어의 엄청난 비용을 이유로 들었다.

따라서 양자 시대의 사이버 보안에 대한 미국 정부의 접근 방식은 완전히 새로운 QKD 하드웨어를 구축하는 대신 PQC(Post-Quantum Cryptography)로 알려진 새롭고 더 강력한 암호화 알고리즘으로 기존 소프트웨어를 업그레이드하는 것이다.

NSA 국장인 폴 나카소네는 1월 31일 의회 청문회에서 "우리 기관은 우리나라의 기본 암호화를 보장하는 키, 코드, 그리고 암호를 만듭니다"라고 말했다. "우리는 우리나라가 양자 컴퓨터로부터 안전하도록 하기 위해 NIST와 협력하여 키, 코드, 그리고 암호를 개발하고 있습니다."

물론, 중국인들은 옳을 수도 있고, 나카소네는 틀릴 수도 있다. "저는 NSA가 이러한 극단적인 방법을 취함으로써 공공 서비스를 제공하지 않는다고 생각합니다"라고 허먼은 말했다. "양자 지원 암호화는 QKD와 광자 키 분배, 즉 PKS와 같이 특정 종류의 보안 시나리오에 매우 잘 작동하지만, PQC는 그렇지 않습니다. 양자 보안의 미래는 PQC가 그렇듯이 소프트웨어 기반의 솔루션에만 베팅하는 것이 아니라 두 가지를 모두 혼합해야 합니다."

그는 "중국은 왜 우주를 포함해 QKD 기반의 안보 인프라에 수십억 달러를 투자하기로 했는가"라며 "NSA와 NIST, RAND에서 우리의 가장 뛰어난 정신이 있는데 이것이 막다른 골목이라는 것을 알고 있는 것 같다"고 물었다

하지만 중국과 같은 권위주의 정권에게 메가 프로젝트는 투자 수익과 상관없이 엄청난 노력을 필요로 하기 때문에 정확히 매력적일 수 있다. 이 프로젝트들은 규모가 작고 실용적인 프로젝트가 아닌 방식으로 관료주의적 제국을 건설하고 선전할 수 있는 기회이다.

파커는 "이것은 대규모의 출시에 도움이 된다"고 말했다. "그것은 많은 하드웨어 구축을 필요로 하는데, 어떤 면에서는 이것은 나쁜 일이다. 왜냐하면 이것은 매우 비싸고 매우 파괴적이며 많은 시간이 걸리기 때문이다. 하지만 국격의 관점에서는 이것은 아마도 좋은 일이다. 왜냐하면… 중국인들은 그들이 수천 킬로미터의 양자키 분배망을 구축했다고 말할 수 있고, 그들은 두 개의 서로 다른 양자 위성을 발사했다고 말할 수 있기 때문이다. 이것은 다른 나라들이 비교하기에는 어려운 것이다."

그는, 중국 지도자들이 NSA의 해킹 실력에 대해 폭로한 에드워드 스노든 사건으로 인해 중국 지도자들이 크게 동요하고 있다는 점이 QKD가 권위자들에게 두 번째로 호소하는 부분이라고 덧붙였다. 중국에서 만들어진 해킹 방지 네트워크는, 너무나 유혹적이어서 저항할 수 없을지도 모른다.

그렇다고 해서 반드시 좋은 계획이 되는 것은 아니다. 그러나 파커는 "상향적이고 권위적인 사회의 본질에 따라 자원의 잘못된 할당에서 벗어날 수 있는 내부 견제와 균형이 줄어든다"고 말했다