ETRI-KAIST, ‘측정보정 없는 양자키분배’ 동시검증
실용형 QKD시대 앞당겨... 위성·드론 등 이동 환경에서도 안정 통신

[보안뉴스 한세희 기자] 위성이나 선박, 드론 같이 끊임없이 이동하는 환경에서도 안정적 양자 보안 통신을 할 수 있는 길이 열렸다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 KAIST 연구팀과 공동으로 앙자 상태 측정 보정 없이도 안정적으로 양자키분배(QKD)가 가능한 ‘측정 보호’(MP) 이론을 정립하고 실험적으로 검증했다고 30일 밝혔다.

양자 통신은 정보를 빛의 양자 상태로 전송하는 기술이다. 무선으로 이동 중인 환경에선 날씨나 주변 환경 변화의 영향을 크게 받아 통신이 불안정해지는 문제가 있었다. 특히 하늘이나 바다처럼 실시간으로 변화하는 환경에선 양자 상태의 안정적 전달이 매우 어려웠다.

ETRI 관계자는 “이번 연구는 이동 중에도 안정적으로 양자 정보를 주고받을 수 있는 기술적 가능성을 처음 열었다는 점에서 의미 있다”며 “향후 위성과 지상 간 보안 통신, 드론 및 해상 통신 등 다양한 분야에 양자 기술을 적용할 수 있을 것”이라고 기대했다.


▲양자 관련 연구를 진행중인 ETRI 연구진 [자료: ETRI]

양자키분배(QKD)는 양자역학 원리를 이용해 도청이 원천적으로 불가능한 암호 키를 분배하는 기술이다. 기존 QKD 프로토콜은 채널 상태가 바뀔 때마다 수신측 측정 장치를 반복해서 보정해야 했다.

이번 연구는 간단한 국부 연산만으로도 채널 상태에 관계없이 안정적 키 분배가 가능함을 보였다. 이론은 KAIST 배준우 교수팀이 정립했고, 실험은 ETRI 연구진이 수행했다.

연구진은 단일 광자 펄스를 생성하기 위해 100MHz 광원, 즉 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)를 활용했다. VCSEL이란 레이저 빔이 칩의 상단 표면에서 수직으로 방출되는 반도체 레이저의 한 종류이다.

연구진은 10m 자유공간 구간에 최대 30dB 손실을 적용한 장거리 전송 환경을 구현하고, 다양한 편광 노이즈를 삽입해 무선 환경의 장거리 실험을 상정해 열악한 상황에서도 양자 전송과 측정이 원활하게 이뤄짐을 검증했다.

또 송수신 단에는 각각 3개의 파장판을 장착해 국부 연산을 구현했다.

그 결과, 측정 보호(MP) 기반 QKD 시스템은 전송된 양자 비트 중 오류가 발생한 비율을 뜻하는 양자 비트 오류율(QBER)의 시스템 최대 허용치를 기존에 비해 20.7%까지 높일 수 있음을 증명했다.

수신된 양자 비트 중 오류가 20.7% 미만이면 별도의 측정 보정 없이 안정적 양자 키 분배가 가능하다는 의미다.

이로써 측정 보정 없이도 다양한 채널 노이즈 환경에서도 안정적 키 생성을 달성, 신뢰성 있는 양자통신을 구현할 수 있는 기반을 마련했다. 연구진은 이 같은 성과를 위성-지상 링크와 유사한 환경에 적용 가능할 것으로 보고 있다.

윤천주 ETRI 양자기술연구본부장은 “채널 변화에 독립적인 QKD 구현은 양자 암호 통신의 유연성을 획기적으로 높인다”며 “장거리 자유공간 링크 기술로 확장해 글로벌 양자 네트워크 기반을 마련하겠다”고 말했다.

배준우 교수는 “이번 성과는 복잡한 환경에서도 신뢰할 수 있는 양자 보안 통신을 현실로 끌어올리는 결정적 전환점이 될 것”이라고 말했다.

이 연구 결과는 미국전기전자공학회(IEEE) 통신분야 저널 ‘Journal on Selected Areas in Communications’에 최근 게재됐다.

앞서 ETRI는 QKD 실용화 핵심 과제인 ‘편광 의존 손실’ 문제에 대한 실험적 보정 방법도 제시했다. 집적화 칩 기반 QKD 시스템의 성능 저하를 해결해 소형·경량 QKD 장비 상용화에 기여하리란 기대다.

집적형 QKD는 값비싼 기존 대형 벌크 광학 기반 시스템을 대체할 차세대 기술로 주목받고 있다.

편광 기반 QKD는 집적화 과정에서 편광 의존 손실이 발생해 성능 저하를 유발하는 문제가 있었다.

ETRI 연구진은 간단한 광학 부품으로 이 손실을 보정하고, 편광 기반 QKD 시스템에 적용해 성능 저하 없이 안정적 키 분배가 가능함을 실험으로 입증했다.

이 연구 성과는 양자 관련 학술지 ‘Advanced Quantum Technologies’에 표지논문으로 게재됐다. 임경천 ETRI 양자통신연구실 기술총괄은 “QKD 시장 확산을 위해 집적화 칩 연구는 필수불가결이며, 편광 의존 손실뿐만 아니라 집적화 칩 기반 QKD 시스템 구현에 있어 극복해야 할 문제가 많아 관련 연구가 더 필요하다”밝혔다.

ETRI는 지난 10여 년간 △양자암호통신 집적화 칩 및 초소형 모듈 개발 △무선 양자암호통신 실환경 100m 전송 △양자컴퓨팅 컴파일러 기술 △통신 3사와 전송시스템 표준화 △상온 양자 인터넷 핵심기술 △세계 최초 암호 양자 안전성 검증기술 개발 등의 성과를 이어왔다.

ETRI 연구진은 현재, 세계적인 양자연구그룹으로 거듭나며 양자통신, 양자컴퓨팅, 양자 센서 분야에서 선도적인 양자 기술 개발과 상용화에 집중하고 있다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 정보통신기획평가원(IITP)의 ‘양자인터넷 핵심원천기술개발’, ‘한국전자통신연구원연구개발지원 사업’, ‘양자암호통신산업확산및차세대기술개발 사업’, ‘양자암호통신집적화및전송기술고도화 사업‘, ’SW컴퓨팅산업원천기술개발사업‘ 과 한국연구재단의 ‘양자공통기반기술개발 사업’, ‘중견 연구’와 우주 항공청 ‘미래우주교육센터’의 일환으로 추진됐다.

[한세희 기자(boan@boannews.com)]

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