KIST, 양자암호 상용화 위한 'TF QKD' 실험 검증 세계 두번째로 '성공'

핵심요약

양자암호 상용화 위한 'TF QKD' 실험 검증에 세계 두번째로 성공

2:N TF QKD 네트워크 구조. 연합뉴스

2:N TF QKD 네트워크 구조. 연합뉴스
양자암호 상용화를 위해 필요한 핵심 기술인 'TF QKD'의 실험 검증에 한국 연구진이 세계에서 두 번째로 성공했다. 이번 실험은 TF QKD 시스템 작동에 필요한 난이도를 낮추고 다대다 네트워크로 확장이 가능한 시스템 구조를 제안했다는 의미가 있다.

한국과학기술연구원(KIST)은 22일 한상욱 양자정보연구단장이 이끄는 연구팀이 작년 겨울 'TF(Twin-field) 양자키 분배(QKD, Quantum Key Distribution)' 네트워크 구조 검증에 성공했다고 밝혔다. 연구 결과는 이달 초 양자정보학 분야의 온라인 오픈액세스 저널인 'npj Quantum Information'에 게재됐다.

양자키 분배(QKD) 기술은 양자암호통신기술의 일부로, 제3자가 해킹할 수 없는 암호키를 만들어 송신자와 수신자에게 나눠주는 것이다. 제3자가 통신망에 침투해 암호키를 가로채려고 시도하면 양자 정보가 변형돼 해킹 시도를 즉시 파악할 수 있다.

다만 현재까지 상용화된 양자 암호기술은 통상적으로 100㎞ 내에서만 작동되는 데다가, 주로 1 대 1 통신에 국한된다는 한계를 갖고 있었다. 즉 양자 암호 연구 분야에선 통신 거리를 확장하고, 일대일 통신을 일대다 또는 다대다 네트워크 통신으로 확장하는 게 핵심 과제였다.

실험 모식도. 연합뉴스

실험 모식도. 연합뉴스
2018년에 이론이 발표된 TF QKD 기술은 기존 QKD 시스템의 통신거리를 획기적으로 늘릴 수 있는 장거리 프로토콜로 많은 주목을 받았다. QKD 시스템은 양자신호를 송수신부로 전송하는 과정에서 양자신호의 손실이 발생하는데 TF QKD는 수신자와 송신자가 양쪽에서 동시에 정보를 보낼 수 있고, 제 3자의 측정장치를 중간에 추가해 통신거리를 늘리는 효과를 낸다.

KIST 연구팀은 이번 연구에서 단일 광원을 사용하는 플러그앤플레이(PnP) TF QKD 시스템을 제안했다. 제3자의 측정 장치가 동일한 광원을 양쪽 송수신자에게 전달하고 그 광원을 활용하여 정보를 공유하는 방식이다. 동일한 양자 신호가 통신 채널을 왕복하기 때문에 채널에서 발생하는 편광 노이즈(잡음)가 자동으로 보상된다.

아울러 연구팀은 편광별, 시간별로 채널을 분할하여 신호를 보내는 '편광, 시간, 파장 분할 기술'을 활용해 2:N 네트워크망까지 확장 가능한 새로운 TF QKD 네트워크 구조를 제안하고, 실험적으로도 검증했다.

이는 캐나다 토론토 대학 연구팀에 이어 세계에서 두 번째로 실험 검증에 성공한 사례이기도 하다. 그간 TK QKD 기술은 시스템 개발 난이도가 매우 높아 세계적인 QKD 그룹에서만 성공한 바 있다.토론토 대학 연구팀의 연구 결과는 올해 초 저널에 게재됐다.

KIST 연구팀은 '별(star) 네트워크 구조'를 고안했는데, 이는 토론토 대학에서 연구한 링(ring) 네트워크 구조보다 실용적인 시스템이라고 설명했다. 링 구조는 양자 신호가 링에 연결된 모든 곳을 지나야 하지만, 별 구조에서는 중심부만 거치기 때문이다.

한상욱 단장은 "QKD의 상용화를 가로막던 장거리, 네트워크 확장 두 가지 과제를 동시에 해결한 연구성과"라며 "장거리 양자암호 네트워크 분야를 리딩할 수 있는 기반 기술을 확보했다는 것에 의의가 있다"고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받았고, KIST 주요사업과 한국연구재단 양자컴퓨팅기술개발사업, IITP 정보통신방송기술개발사업으로 수행됐다.

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