양자역학의 물리 법칙에 기반한 안전성 제공

세계 두 번째로 확장 가능한 TF QKD 네트워크 구조 검증

한상욱 책임연구원, 김상인 교수, 박창훈 학생연구원

양자컴퓨터는 계산 복잡도에 기반한 현대암호의 보안성을 붕괴시킬 수 있다. 양자암호는 이러한 현대암호의 취약점을 근본적으로 방지할 수 있는 차세대 보안체계로, 계산복잡도 기반이 아닌 양자역학의 물리 법칙에 기반한 안전성을 제공하기 때문에 양자컴퓨터의 고속 연산 능력에 관계없이 높은 보안성을 보장한다.

현대의 암호 체계는 수학적인 문제를 기반으로 공개키와 비밀키를 생성하고, 이를 이용하여 정보를 암호화하고 해독하는 것이 일반적이다. 반면 계산 복잡도가 아닌 양자역학 법칙에 기반하고 있는 양자암호는 양자컴퓨터의 연산 능력과 관계없이 높은 보안성을 보장할 수 있어서 조만간 현대 암호체계를 대체할 수 있을 것으로 보인다.

양자역학의 법칙을 기반으로 송신자와 수신자 사이에 일회용 난수표를 안전하게 분배하고, 이를 암호 키로 사용하는 양자키 분배(QKD, Quantum Key Distribution) 기술은 양자암호의 상용화를 위해 반드시 갖추어야 할 핵심 기술로 꼽힌다. QKD 구현을 위해 해결해야만 하는 주요 기술 이슈는 두 가지가 있다. 첫째는 현재 약 100km내에서만 작동이 제한되는 통신거리이고, 두 번째는 일대일(1:1) 통신에서 일대다(1:N) 또는 다대다(N:N) 네트워크 통신으로 확장하는 것이다.

2018년에 발표된 TF(Twin-field) QKD는 기존 QKD 시스템의 통신거리를 획기적으로 늘릴 수 있는 장거리 프로토콜로 주목받았다. QKD 시스템은 양자신호를 송수신부로 전송하는 과정에서 양자신호의 손실이 발생하는데, TF QKD는 수신자와 송신자가 양쪽에서 동시에 정보를 보낼 수 있고, 제 3자의 측정 장치를 중간에 추가하여 수신자 송신자가 중간까지만 정보를 송신하더라도 통신이 가능하게 하여 통신거리가 증가되는 효과를 가진다. 그러나 TF QKD 프로토콜의 검증은 시스템 개발 난이도가 매우 높아 세계적인 QKD 선도그룹에서만 성공하였고, 네트워크 통신 확장에 관한 연구는 미진한 상태이다.

한국과학기술연구원(KIST)은 양자정보연구단 한상욱 단장 연구팀이 단일 광원을 사용하는 PnP 구조를 적용하여 TF QKD 시스템 작동에 필요한 난이도를 낮추는 것과 동시에, 1:1이 아닌 다대다 네트워크로 확장이 동시에 가능한 시스템 구조를 제안했다고 밝혔다. 이는 캐나다 토론토 대학에 이어 TF QKD 네트워크 실험 검증에서는 세계에서 두 번째로 성공한 것이다.

2:N TF QKD 네트워크 구조

실험 모식도

연구팀은 TF QKD 시스템의 개발 난이도를 개선하기 위해 플러그앤플레이 (Plug and play, PnP) 구조를 적용하였다. 기존 TF-QKD 시스템에서는 송수신자가 각각 양자신호로 두 개의 광원을 사용하였기 때문에 서로 다른 두 광원의 특성을 동일하게 만들기 위한 제어 시스템이 필요하다. KIST 연구팀이 개발한 PnP TF QKD 구조는 하나의 광원으로만 동작하여 제 3자의 측정 장치가 동일한 광원을 양쪽 송수신자에게 전달하고 그 광원을 활용하여 정보를 공유하는 시스템이다. 이러한 이유로, 동일한 양자 신호가 통신 채널을 왕복하기 때문에 채널에서 발생하는 편광 노이즈(잡음)가 자동으로 보상되는 특징을 가지고 있다.

연구팀은 또한 편광, 시간, 파장 분할 기술을 적용하여 2:N 네트워크로 확장 가능한 새로운 TF QKD 네트워크 구조를 제안하고 실험적으로 검증하였다. 이는 세계에서 두 번째로 TF QKD 네트워크 실험 검증에 성공한 사례이다. 최초의 연구사례는 링(Ring) 네트워크 구조인 반면 연구팀의 구조는 별(Star) 네트워크 구조이다. 링 구조는 양자신호가 링에 연결된 모든 곳을 지나야 하지만, 별 구조에서는 중심부만 거치기 때문에 보다 실용적인 QKD 시스템 구현이 가능하다.

연구를 주도한 양자정보연구단 한상욱 단장은 “QKD의 상용화를 가로막던 장거리, 네트워크 확장 두 가지 과제를 동시에 해결한 연구성과”라면서 “장거리 양자암호 네트워크 분야를 리딩할 수 있는 기반 기술을 확보했다는 것에 의의가 있다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 양자컴퓨팅기술개발사업, IITP 정보통신방송기술개발사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 ‘npj Quantum Informaion’ (IF: 7.385 JCR 분야 상위 4.054%) 최신호에 게재되었다.

논문명은 2×N twin-field quantum key distribution network configuration based on polarization, wavelength, and time division multiplexing이다.

제 1저자는 한국과학기술연구원 박창훈 학생연구원이며 공동교신저자는 아주대학교 김상인 교수와 한국과학기술연구원 한상욱 책임연구원 등이다.

KIST 홍보실 제공