한국표준과학연구원(KRISS)과 국가보안기술연구소(NSR) 간에 설치된 국가용 양자암호 시험통신망에서 '양자직접통신' 기술을 구현하는 데 성공했다.[KRISS]

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[아이뉴스24 최상국 기자] 한국표준과학연구원(KRISS)과 국가보안기술연구소(NSR)가 차세대 양자통신 기술인 ‘양자직접통신’ 기술을 개발하고, 국가용 양자암호 시험통신망에서 구현하는 데 성공했다고 3일 발표했다.

개발된 양자직접통신(Quantum Direct Communication) 기술은 표준연과 국보연이 세계 최초로 제안한 독창적인 방식으로, 기존 양자키분배 방식과 달리 비밀메시지를 직접 전송하는 기술이다. 양자통신 기술의 뛰어난 보안성과 함께 비밀키 관리 문제를 없애기 위해 고안됐다.

개발된 기술의 구현은 두 연구소 사이 약 20km 구간에 구축된 국가용 양자암호 시험통신망에서 이뤄졌다. 표준연은 양자통신 구현을 위한 단일광자 광원과 측정 장비를, 국보연은 시스템 구축 및 통신망 구현을 맡았다. 발신부는 표준연에, 수신부는 국보연에 설치됐다.

연구진은 "실험 결과 수백 Hz(헤르츠)의 보안 정보가 전송됐으며, 통신 보안성의 척도인 양자비트에러율(QBER)은 기존 양자키분배 방식과 비슷한 수준인 3~6%로 측정됐다"고 밝혔다.

양자직접통신 구성도 [KRISS]

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양자통신은 더이상 쪼개지지 않는 빛의 최소 단위인 낱개의 광자에 정보를 실어 보내는 통신 방식이다. 도청자가 일부를 가로채는 것이 불가능해 도청 가능성을 원천 차단할 수 있다. 광원이 광자를 하나씩 만든다는 점과 검출기가 하나씩의 광자를 측정한다는 점이 확인되면 통신의 보안성이 검증된다는 점에서, 수학 원리에 기반한 현대 암호와 차별된다.

특히 양자직접통신은 암호와 메시지를 분리하지 않고 비밀 메시지를 양자채널을 통해 직접 전달한다.

연구진은 "최근 상용화 단계에 도달한 양자키분배 기술은 두 사용자가 비밀키를 나누어 갖고 별도의 메시지를 전송해야 하므로 사용자가 늘어날수록 대량의 비밀키를 관리해야 하는 어려움이 있지만, 양자직접통신은 비밀 메시지를 직접 보냄으로써 사용자 증가에 따른 비밀키 관리 문제가 생기지 않는다"고 설명했다.

이를 위해서는 단일광자를 만드는 광원·검출기·채널 제어·프로토콜 설계 및 검증 기술이 요구된다. 또한 실제 환경에 적용하기 위해서는 낮은 광검출 효율이나 광손실·광신호 왜곡을 보상해줄 수 있는 기술 개발이 필요하다.

표준연과 국보연은 연구 기획 단계부터 공동연구를 통해 양자정보통신 관련 논문을 연이어 발표하는 한편 국내 및 미국에서 6건의 특허도 확보했다.

양자직접통신 프로토콜은 국보연이 개발했으며, 단일광자에 대한 인코딩 방식을 포함한 실제 실험 시스템 구성은 표준연과 국보연이 함께 설계했다. 표준연은 예고 단일광자 광원과 단일광자 측정기를 구성했다. 연구진은 광자쌍 광원과 예고광자 검출기를 활용, 2개의 단일광자로 1비트의 양자정보를 전송하며 별도의 암호화 과정 없이 정보보안성이 유지되는 방식을 도출해냈다.

양 기관은 또한 양자 시뮬레이터에 관한 공동연구도 진행해 원자를 이용한 양자정보처리 기술, 초전도 단일광자 검출기 제작 기술, 실제 통신망에서 인터넷과 연동된 양자통신 구현 기술 등을 확보했다고 밝혔다.

박희수 표준연 양자기술연구소장은 “우리 기술로는 최초로 첨단 양자통신 기술을 구현해낸 것은 기관 간 원활한 융합연구가 이뤄졌기에 가능했던 일”이라며, “이번 성과는 양자통신 요소기술뿐만 아니라 양자컴퓨팅 기술 개발을 위한 시금석이 될 것”이라고 기대감을 밝혔다.

이번 연구와 관련된 논문은 국제학술지 옵틱스 익스프레스, 메트롤로지아 등에 게재됐다.

최상국 기자 skchoi@inews24.com

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