TF QKD 네트워크 구조 검증
[정보통신신문=최아름기자]
한국과학기술연구원(KIST)이 양자 암호 상용화를 위한 양자키분배 기술을 세계에서 두 번째로 개발했다.
KIST는 한상욱 양자정보연구단 단장 연구팀이 단일 광원을 사용하는 플러그앤플레이(PnP) 구조를 적용해 트윈필드(TF) 양자키분배(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.
현대의 암호 체계는 수학적인 문제를 기반으로 공개키와 비밀키를 생성하고, 이를 이용해 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.
양자키 분배(QKD) 기술은 양자역학의 법칙을 기반으로 송신자와 수신자 사이에 일회용 난수표를 안전하게 분배하고, 이를 암호 키로 사용하는 기술로, 양자암호의 상용화를 위해 반드시 갖추어야 할 핵심 기술로 꼽힌다. QKD 구현을 위해 해결해야만 하는 주요 기술 이슈는 두 가지가 있다. 첫째는 현재 약 100㎞ 내에서만 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 추가해 수신자 송신자가 중간까지만 정보를 송신하더라도 통신이 가능하게 해 통신거리가 증가되는 효과를 가진다. 그러나 TF QKD 프로토콜의 검증은 시스템 개발 난이도가 매우 높아 중국과학기술대학(USTC) 등 세계적인 QKD 선도그룹에서만 성공했고, 네트워크 통신 확장에 관한 연구는 미진한 상태이다.
연구팀은 TF QKD 시스템의 개발 난이도를 개선하기 위해 플러그앤플레이(Plug and play, PnP) 구조를 적용했다. 기존 TF-QKD 시스템에서는 송수신자가 각각 양자신호로 두 개의 광원을 사용했기 때문에 서로 다른 두 광원의 특성을 동일하게 만들기 위한 제어 시스템이 필요하다. KIST 연구팀이 개발한 PnP TF QKD 구조는 하나의 광원으로만 동작해 제 3자의 측정 장치가 동일한 광원을 양쪽 송수신자에게 전달하고 그 광원을 활용해 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 기술 광섬유 채널이 한 개인 경우, 채널 한 개에는 하나의 의미있는 신호만 통신이 가능하다. 편광별, 시간별로 채널을 분할해 신호를 보내게 되면, 정보를 다양한 수신자에게 전달할 수 있다.
을 적용해 2:N 네트워크로 확장 가능한 새로운 TF QKD 네트워크 구조를 제안하고 실험적으로 검증했다. 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.
