KIST, 양자암호 상용화를 위한 핵심기술 개발

KIST, 양자암호 상용화를 위한 핵심기술 개발 

- 세계 두 번째로 확장 가능한 TF QKD 네트워크 구조 검증

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. 

양자키 분배(QKD, Quantum Key Distribution: 양자역학의 법칙을 기반으로 송신자와 수신자 사이에 일회용 난수표를 안전하게 분배하고, 이를 암호 키로 사용하는 기술) 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 선도그룹(중국과학기술대학(USTC, University of Science and Technology of China) 등)에서만 성공하였고, 네트워크 통신 확장에 관한 연구는 미진한 상태이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)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.

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 기술 (광섬유 채널이 한 개인 경우, 채널 한 개에는 하나의 의미있는 신호만 통신이 가능하다. 편광별, 시간별로 채널을 분할하여 신호를 보내게 되면, 정보를 다양한 수신자에게 전달할 수 있다.)을 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.

 * (논문명) 2×N twin-field quantum key distribution network configuration based on polarization, wavelength, and time division multiplexing

2×N twin-field quantum key distribution network configuration based on polarization, wavelength, and time division multiplexing | npj Quantum Information

    - (제 1저자) 한국과학기술연구원 박창훈 학생연구원

    - (공동교신저자) 아주대학교 김상인 교수

    - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 한상욱 책임연구원

연구결과 개요

1. 연구배경

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. 양자키분배(QKD) 구현기술은 양자암호의 상용화를 위해 반드시 갖추어야할 핵심요소 기술로, QKD 구현을 위한 주요 기술 이슈로는 약 100km로 제한되는 통신거리와 일대일(1:1) 통신에서 일대다(1:N) 또는 다대다(N:N) 네트워크 통신으로 확장하는 문제가 있다. 이러한 상황에서, 2018년에 발표된 트윈-필드(Twin-field TF) QKD 프로토콜은 기존 QKD 시스템의 거리 한계를 획기적으로 늘릴 수 있는 장거리 프로토콜로 QKD 거리한계 이슈를 해결할 수 있는 방법으로 크게 주목받았다. 이후 이론 및 실험 연구를 통해 TF QKD 프로토콜의 검증이 이루어졌지만, 구현 난이도가 너무 높아 세계적인 QKD 선도그룹에서만 구현에 성공하였으며, 네트워크 확장에 대한 연구는 미진한 상태이다.

2. 연구내용

연구팀은 본 연구를 통해 크게 두 가지 중요한 성과를 이루었다. 첫 번째로, 플러그앤플레이 (Plug and play, PnP) 구조를 적용하여 TF QKD 시스템 구성을 위한 제어 시스템을 간소화하였고 구현 난이도를 크게 개선했다. 두 번째는 편광, 시간, 파장 분할 멀티플렉싱 기술을 적용하여 2:N 네트워크로 확장 가능한 새로운 TF QKD 네트워크 구조를 제안하고 세계에서 두 번째로 실험 검증에 성공하였다. 최초의 연구사례는 링(Ring) 네트워크 구조인 반면 연구팀의 구조는 별(Star) 네트워크 구조로 기반 구조에서 차이가 있다.

3. 기대효과

- 장거리 양자암호 네트워크 시스템 구축을 위한 기반 기술 확보

- 관련 기술 홍보를 통한 산업계로의 기술 이전 및 본격적인 양자암호 상용화 촉진

연구결과 문답

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

장거리 양자암호 프로토콜인 TF QKD는 최초 제안된 이후 활발히 연구되고 있다. 하지만, TF QKD의 높은 구현 난이도 때문에 1:1 구조에 연구가 집중되어 있고, 실험연구사례 대부분이 QKD 선도그룹에 의해 이루어졌다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

연구팀이 개발한 새로운 TF QKD 네트워크 구조는 PnP 구조 기반으로 TF QKD의 구현 난이도를 개선했고, 1:1을 넘어 2:N 네트워크 망까지 확장 가능하다. 기존의 TF QKD를 구현하기 위해서는 다수의 고속 정밀 제어시스템이 필요했지만, 연구팀이 제안한 구조는 최소한의 제어시스템으로 구현할 수 있다. 마지막으로, 이론적인 제안에 그치지 않고 실험을 통해 제안한 구조를 검증했다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 

도시 간 또는 대륙 간의 장거리 양자암호 통신에 활용될 수 있고, 전자투표, 은행, 군용통신, 데이터센터 등의 소수의 중앙 서버와 다수의 클라이언트 간의 보안통신에도 활용될 수 있다.

□ 기대효과와 실용화를 위한 과제는?

장거리 양자암호 네트워크 구축을 위한 기반 기술로 활용될 수 있다. 또한, 기존의 TF QKD는 높은 구현 난이도로 인해 소수의 QKD 선도그룹만이 실험 연구를 할 수 있었지만, 연구팀이 제안한 구조는 최소한의 제어시스템을 필요로 하여 실용적으로 구현될 수 있기 때문에 국내외 많은 연구그룹의 TF QKD 연구를 촉진할 것이라 기대된다.