국내 연구진이 양자 상태 측정 보정이 없이 안정적으로 양자키분배(QKD)가 가능한 '측정 보호(MP)'이론을 세계 최초로 정립하고, 실험 검증에도 성공했다.
한국전자통신연구원(ETRI·원장 방승찬)은 한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)과 함께 위성·선박·드론이 움직이는 환경에서도 안정적인 양자통신을 구현할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다고 30일 밝혔다.
양자통신은 무선으로 이동중인 환경에서는 날씨나 주변 환경 변화 영향을 받아 통신이 불안정해졌다. 하늘이나 바다, 공중에서는 안정적인 양자 상태 전달이 어려웠다.
이번 연구로 이동 상태에서도 안정적으로 양자 정보를 주고받을 수 있는 기술적 가능성을 처음 열었다. 위성·지상 간 보안 통신, 드론·해상 통신 등 분야에 양자기술 적용이 기대된다.
활용된 양자키분배(QKD) 기술은 양자역학 원리로 도청이 원천적으로 불가능한 암호 키를 분배하는 기술이다. 기존 QKD 프로토콜은 채널 상태가 바뀔 때마다 수신 측 측정 장치를 반복해 보정해야만 했는데, 이번 연구에서는 간단한 국부 연산만으로도 채널 상태에 관계없이 안정적인 키 분배가 가능함을 증명했다. 이론은 배준우 KAIST 교수팀이 정립했고, 실험은 ETRI 연구진이 수행했다.
연구진은 단일광자 펄스를 생성하고자 100㎒인 광원, 즉 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL: 레이저 빔이 칩 상단 표면에서 수직으로 방출되는 반도체 레이저)를 활용했다.
연구진은 10m 자유공간 구간에 최대 30데시벨 손실을 적용한 장거리 전송 환경을 구현하고, 다양한 편광 노이즈를 삽입해 무선환경 장거리 실험을 상정해 열악한 상황에서도 양자 전송·측정이 원활함을 검증했다. 또 송수신 단에는 각각 3개 파장판을 장착해 국부 연산을 구현했다.
그 결과, 측정보호(MP) 기반 QKD 시스템은 전송된 양자 비트 중 오류가 발생한 비율을 뜻하는 양자 비트 오류율(QBER) 시스템 최대 허용치를 기존 대비 20.7%까지 상승시킬 수 있음을 증명했다.
이는 수신된 양자 비트 중 오류가 20.7% 미만이면 별도 측정 보정 없이 안정적인 양자키분배가 가능하다는 의미다. 다양한 채널 노이즈 환경에서도 안정적인 키 생성을 달성해 고신뢰성 양자통신 구현 기반을 마련한 셈이다.
이번 연구 결과는 지난달 25일 미국전기전자공학회(IEEE) 통신분야 저널인 '저널 온 셀렉티드 에이리어 인 커뮤니케이션즈'에 게재됐다. 고해신 ETRI 연구원과 스피로스 케크림패리스 KAIST 박사가 공동 1저자로 참여했다.
또 ETRI는 QKD 실용화 핵심 과제인 '편광 의존 손실' 문제의 실험적 보정 방법도 제시했다고 밝혔다. 이 연구는 집적화 칩 기반 QKD 시스템 성능 저하를 해결, 소형·경량 QKD 장비 상용화에 기여할 전망이다.
편광 기반 QKD에서는 집적화 과정에서 편광 의존 손실이 발생해 성능 저하를 유발하는 문제가 있었는데, ETRI 연구진은 간단한 광학 부품으로 이 손실을 보정하고, 편광 기반 QKD 시스템에 적용해 성능 저하 없이 안정적인 키 분배가 가능함을 실험으로 입증했다. 이 성과도 지난 3월, '어드밴스드 퀀텀 테크놀로지스'에 표지논문으로 게재됐다.
ETRI는 QKD의 시장 확산을 위해 집적화 칩 기반 연구는 필수라며 편광 의존 손실 외에도 다수의 기술 난제를 해결해야 하며, 이를 위한 후속 연구를 이어가고 있다고 설명했다.
임경천 ETRI 양자통신연구실 기술총괄은 “QKD 시장 확산을 위해 집적화 칩 연구는 필수불가결이며, 편광 의존 손실뿐만 아니라 집적화 칩 기반 QKD 시스템 구현에 극복해야 할 문제가 많아 관련 연구가 더 필요하다”고 밝혔다.
윤천주 ETRI 양자기술연구본부장도 “채널 변화에 독립적인 QKD 구현은 양자암호통신의 유연성을 획기적으로 높인다”며 “장거리 자유공간 링크 기술로 확장해 글로벌 양자 네트워크 기반을 마련하겠다”고 말했다.
배준우 KAIST 전기 및 전자공학부 교수도 “이번 성과는 복잡한 환경에서도 신뢰할 수 있는 양자 보안 통신을 현실로 끌어올리는 결정적 전환점이 될 것”이라고 말했다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
