양자 보안 네트워크 가능케 할 ‘양자직접통신’ 구현 성공-도청 걱정 없이 정보 직접 전달, 차세대 양자통신 기반기술로 주목

양자 보안 네트워크 가능케 할 ‘양자직접통신’ 구현 성공-도청 걱정 없이 정보 직접 전달, 차세대 양자통신 기반기술로 주목

 

2021-03-05관리자

 

양자 보안 네트워크 가능케 할 ‘양자직접통신’ 구현 성공
- 도청 걱정 없이 정보 직접 전달, 차세대 양자통신 기반기술로 주목 -
- 표준연‧국보연 공동연구 결실, 기관 간 양자통신시험망 가동 -

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)과 국가보안기술연구소(NSR)가 공동연구를 통해 ‘양자직접통신’ 기술을 개발하고 구현하는 데 성공했다.

개발된 양자직접통신(Quantum Direct Communication) 기술은 KRISS와 NSR이 세계 최초로 제안한 독창적인 방식이다. 양 기관은 연구 기획 단계부터 긴밀한 협력을 통해 핵심기술 지식을 교류하며 양자정보통신 관련 논문 및 지적 재산권을 확보했다.

양자통신은 빛의 가장 작은 단위인 광자에 정보를 실어 전달함으로써 도청의 가능성을 차단하는 기술이다. 특히 양자직접통신은 암호와 메시지를 분리하지 않고 비밀 메시지를 양자채널을 통해 직접 전달할 수 있다.

기존의 양자통신 기술은 광자 수준으로 세기가 약한 레이저 펄스를 이용해 발신자와 수신자 사이에 무작위의 암호를 나눠 갖는 과정으로 이루어진다.

최근 상용화 단계에 도달한 양자키분배 기술을 예로 들면, 두 사용자가 비밀키를 나누어 갖고 별도의 메시지를 전송해야 하므로 사용자가 늘어날수록 대량의 비밀키를 관리해야 하는 어려움이 있다.

그러나 양자직접통신은 비밀 메시지를 직접 보냄으로써 사용자 증가에 따른 비밀키 관리 문제가 생기지 않는다. 이를 위해서는 단일광자를 만드는 광원·검출기·채널 제어·프로토콜 설계 및 검증을 위한 새로운 기술이 요구되며, 실제 환경에 적용하기 위해서는 낮은 광검출 효율이나 광손실·광신호 왜곡을 보상해줄 수 있는 기술 개발이 필요하다.

KRISS와 NSR 연구진은 공동연구를 통해 관련 기술을 개발, 국가용 양자암호 시험통신망(KRISS-KISTI-NSR, 약 20 km, 한국과학기술정보연구원 (KISTI) 제공)에서 양자직접통신 기술을 구현하는 데 성공했다.

KRISS 연구진은 양자통신 구현을 위한 단일광자 광원과 측정 장비를, NSR 연구진은 시스템 구축 및 통신망 구현을 맡았다. 양자직접통신 발신부는 KRISS, 수신부는 NSR에 설치됐다.

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

양 기관은 기술 구현과 더불어, 양자 시뮬레이터에 관한 공동연구도 진행했다. 이를 통해 원자를 이용한 양자정보처리 기술, 초전도 단일광자 검출기 제작 기술, 실제 통신망에서 인터넷과 연동된 양자통신 구현 기술 등을 확보했다.

KRISS 박희수 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 연구 완성을 위해 개발된 요소기술은 국제학술지 옵틱스 익스프레스(Optics Express, IF: 3.669)와 메트롤로지아(Metrologia, IF: 3.447) 등에 게재됐으며, 국내 및 국외 특허 6건이 등록됐다.

붙임1
연구성과 추가 설명

○ 어디에 사용할 수 있나?

1. 양자통신 기술
더이상 쪼개지지 않는 빛의 최소 단위인 낱개의 광자에 정보를 실어 보내는 통신 방식. 도청자가 일부의 정보를 가로채는 것이 불가능하다. 광원이 광자를 하나씩 만든다는 점과 검출기가 하나씩의 광자를 측정한다는 점이 확인되면 통신의 보안성이 검증된다는 점에서, 수학 원리에 기반한 현대 암호와 차별된다.

2. 양자직접통신 기술
상용화가 진행되는 양자키분배 기술과 달리 양자직접통신은 차세대 양자통신 기술로서 세계적으로 기초 연구단계에 있는 기술이다.

3. 양자컴퓨팅 기술
원자, 광자, 초전도체 등을 이용하여 고전 비트가 아닌 양자비트(qubit)를 저장하고 연산을 수행하는 기술. 양자비트의 개수가 일정 정도 이상이 되면 기존의 컴퓨터로 계산할 수 없는 특정한 문제들을 풀 수 있다.

○ 연구개발 과정

양자직접통신 프로토콜은 국가보안기술연구소(이하 국보연)가 개발했다. 단일광자에 대한 인코딩 방식 등을 포함한 실제 실험 시스템 구성은 한국표준과학연구원(이하 표준연)과 국보연이 공동으로 설계했다. 양 기관은 광자쌍 광원과 예고광자 검출기를 활용, 2개의 단일광자로 1비트의 양자정보를 전송하며 별도의 암호화 과정 없이 정보보안성이 유지되는 방식을 도출해냈다.

표준연 양자기술연구소 양자정보팀 연구진은 예고 단일광자 광원과 단일광자 측정기를 구성했다. 광원의 예고효율을 최고 수준으로 높이고, 780 nm(나노미터)와 1550 nm 파장의 단일광자를 높은 효율로 검출하도록 준비했다.

○ 관련 논문

1. (이론 및 광학테이블 상 원리증명) Entropy (IF 2.419) 22, 1268 (2020.11.)
- 제목: “Deterministic secure quantum communication on the BB84 system”
- 주소: https://www.mdpi.com/1099-4300/22/11/1268

2. (단일광자 광원) Optics Express (IF 3.669) 27, 24545 (2019.8.)
- 제목: “Relative time multiplexing of heralded telecom-band single-photon sources using switchable optical fiber delays”
- 주소: https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-27-17-24545&id=416740

3. (검출기 특성 측정) Metrologia (IF 3.447) 56, 035003 (2019.5.)
- 제목: “Detection efficiency measurement of single photon avalanche photodiodes by using a focused monochromatic beam tunable from 250 nm to 1000 nm”
- 주소: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1681-7575/ab1d6c/meta

4. (광자 큐비트 인코딩 방법) Quantum Information Processing (IF 2.433) 18, 216 (2019.5.)

- 제목: “Scheme for encoding single logical qubit information into three-photon decoherence-free states assisted by quantum dots”
- 주소: https://link.springer.com/article/10.1007/s11128-019-2315-5

○ 지원사업 관련 정보

국가과학기술연구회 창의형융합연구사업
“양자정보시대 절대보안성을 위한 멀티-플랫폼 큐비트 암호통신 핵심기술 개발” (2016~2020)

○ 관련 특허

1. 국내 특허 3건: 출원번호 10-2017-0136505, 10-2016-0154216, 10-2019-0035107
2. 국외 특허 3건: 미국특허 출원번호 15/980919, 15/711174, 16/554850

 

붙임2
사진 자료

 

▲ 한국표준과학연구원(KRISS)-국가보안기술연구소(NSR) 연결

 

 

 

 

▲ 양자직접통신 구성도

 

 

 

▲ 양자직접통신 시험 공간

붙임3
박희수 양자기술연구소장 프로필

1. 인적사항
○ 성 명 : 박희수
○ 소 속 : 한국표준과학연구원 양자기술연구소
○ 직 책 : 소장

 

2. 경력사항
○ 2020.3~현재 : 한국표준과학연구원 양자기술연구소장
○ 2004.12～현재 : 한국표준과학연구원 책임연구원
○ 2011.12～2012.12 : University of Illinois at Urbana-Champaign, Visiting Scholar
○ 2003.4～2004.5 : University of Strathclyde, Research Associate
○ 2002.3～2004.11 : 한국과학기술원 Postdoc

3. 전문 분야 정보
○ 양자광학, 포토닉스

4. 발표논문 및 특허
○ H. S. Park, S.-S. B. Lee, H. Kim, S.-K. Choi, and H.-S. Sim, “Construction of an Optimal Witness for Unknown Two-Qubit Entanglement,” Phys. Rev. Lett. 105, 230404 (2010) 등 SCI급 논문 약 40편
○ “광자생성장치” 등 국내외 특허 등록 10여 건