1. 양자통신 기술 개요

 

양자 통신 네트워크는 주로 양자의 물리적인 특징을 활용하여 송수신하는 동안 절대적으로 안전하게 암호키를 공유하는 양자 키 배송 네트워크와 양자 정보를 원격지 간에 중첩 및 양자 얽힘 등의 양자 상태를 유지한 채로 주고받는 양자 인터넷으로 분류된다.

 

해당 연구개발 영역은 일대일(1:1) 양자 키 배송의 고속화ㆍ장거리화 기술에서부터 기존 시큐리티 기술과의 융합, 다대다(N:N) 네트워크화와 위성계를 포함한 대규모 글로벌 네트워크 구축, 양자 중계 기술 및 그것을 활용하는 양자 인터넷의 실현에 관한 연구개발을 다루는 영역이다.

 

<그림1> 국내 양자 통신 기술발전 전망도

자료 : 정보통신기획평가원(IITP), 2022 양자통신 로드맵(’22)

 

현재의 정보화 사회를 뒷받침하는 공개 키 암호 등의 현대 암호는 해독하는 데 방대한 계산량이 요구되는 ‘계산량적 안전성’에 따라 안전성이 담보된다. 하지만 최근 양자 컴퓨터에 대한 연구가 가속화되고 있어 미래에 실용화될 양자 컴퓨터나 완전히 새로운 수리 알고리즘이 등장함에 따라 현대 암호가 쉽게 해독될 것이라는 우려가 생겨났다.

 

그래서 양자 컴퓨터가 실현되어도 중요 기관 사이에서 기밀 정보를 안전하게 주고받고자 해독이 불가능하다는 사실이 이론적으로 증명된 양자 암호가 반드시 필요하게 되었다.

또한, 유무선 통신 사용이 확대되면서 보안을 위한 암호통신의 중요성이 강조되고 있다.

 

양자 암호는 양자 키 배송(QKD : Quantum Key Distribution)과 원타임 패드(One Time Pad, OTP) 암호화라는 두 가지 단계로 구성된다.

 

OTP는 암호화 대상의 데이터와 같은 길이의 난수를 암호 키로 사용하며 한 번 사용한 난수를 두 번 다시 사용하지 않는 암호 방식이다. 양자 암호는 이러한 OTP에서 QKD로 공급된 암호 키를 사용함으로써 정보 이론적 안전성을 달성한다.

 

QKD 송수신 장치를 네트워크에 연결하고 키를 관리ㆍ배송하는 기술이 양자 키 배송 네트워크(QKD 네트워크)이다.

 

현재 세계 각국에서 QKD 네트워크의 국제적인 보급을 위해 실용화하려는 움직임이 활발해지고 있으며, 지상계 및 위성계 양쪽에서 양자 암호를 활용하는 국제적인 양자 키 배송 네트워크를 구축하는 일을 서두르고 있다.

 

그러려면 QKD의 고속화ㆍ장거리화 및 네트워크화, 선진적 디바이스 시스템 기술 개발, 고전 시큐리티 기술(기존 시큐리티 기술)과의 융합 등 다양한 과제를 해결해야 한다.

 

또한 미래에 대규모 분산 양자 컴퓨팅 및 비밀 양자 계산, 광시계 양자 네트워크를 통한 시공간 동기화, 양자 센서 네트워크 등의 양자 애플리케이션이 등장하게 되면 사람들이 안심할 수 있고 안전하며 편리한 생활 및 고도의 사회 경제 활동이 실현될 것으로 기대된다.

 

서로 떨어진 양자 컴퓨터끼리 상호 연결할 때 최대한의 성능을 끌어내려면 네트워크의 송신 엣지와 수신 엣지 사이에서 양자 정보를, 양자 상태(중첩 및 양자 얽힘 등)를 유지한 채로 직접 주고받을 수 있는 양자 인터넷 기술이 필요하다.

 

양자 인터넷을 실현하려면 양자 정보를 송수신하는 양자 컴퓨터 및 양자 센서뿐 아니라 양자 메모리 등의 양자 중계에 필요한 디바이스 기술이 발전되어야 하는데, 해당 기술은 아직 기초 연구 단계에 있으며 기술을 확립하는 데 오랜 기간이 소요되기 때문에 관련 기술에 대한 연구개발을 지금보다 더 촉진시켜야 한다.

 

2. 주요 연구개발 동향 및 이슈

 

초기 양자암호통신 기술 연구에서는 양자의 물리적인 성질을 활용하여 송수신하는 동안 암호 키를 안전하게 공유할 수 있는 QKD를 어떻게 더 안정적으로 고속화ㆍ장거리화할 것인지가 과제로 여겨졌다.

 

1984년에 제안된 BB84는 QKD의 대표적인 프로토콜이며, 2018년에는 일본에서 300kbps × 45km라는, 당시 세계 최고 성능의 양자 암호 장치가 개발되었고 2021년에 제품화ㆍ사업화되었다.

 

<그림2> BB84 프로토콜

자료 : https://www.researchgate.net/

 

해당 테스트베드와 관련해서는, 2010년에 일본 총무성이 소관하는 국립연구소인 정보통신연구기구(NICT)가 도내 100km 권 내에 구축한 시험용 Tokyo QKD Network가 세계에서 가장 긴 운용 실적을 가지고 있으며, 양자 암호 통신의 실용화 및 고도화에 크게 공헌하고 있다.

 

QKD 기술을 연구 개발하는 데 있어 키 배송의 효율 향상 및 고속화ㆍ장거리화는 계속해서 중요한 과제로 여겨지고 있으며, 예를 들어 고전 광통신과 같은 섬유를 공유하여 양자암호통신을 할 수 있게 하는 연속량(CV)-QKD 및 통신 속도를 낮추지 않고 통신 거리를 최대 2배로 늘리는 트윈 필드(TF)-QKD, BB84 이외의 QKD 방식도 연구 개발되고 있다.

 

또한 현재 다른 과제로는, 기존 시큐리티 기술과의 융합 및 다대다(N:N) 네트워크화, 양자 중계를 포함한 양자 인터넷의 실현 등 연구개발 주제가 광범위에 이르고 있다.

 

기존 시큐리티 기술과의 융합과 관련해서는 어떻게 융합하여 네트워크 전체의 안전성을 높일지가 과제가 되고 있다.

 

그 응용 기술의 일환으로 양자 시큐어 클라우드 기술이 있으며, 양자 암호, 비밀 분산, 내양자 계산기 암호에 의한 인증 기반, 비밀 계산 등을 융합함으로써 실용적인 양자 컴퓨터가 실현되어도 해독 및 수정을 할 수 없는 데이터 백업 보관과 계산 처리를 수행할 수 있다.

 

<그림3> 양자 암호화를 통한 안전한 전자 의료 기록의 상호 참조 작동 방식

자료 : 일본전기주식회사(NEC) 보도자료, 2020.10.22

 

<그림4> 하기 실증실험의 시스템 구성도

자료 : 일본전기주식회사(NEC) 보도자료, 2020.10.22

 

예를 들어, 2020년에 일본에서는 일본정보통신연구기구(NICT), 일본전기주식회사(NEC), ZenmuTech가 전자 진료 기록 샘플 데이터 전송 자체를 양자 암호로 익명화하여 광역 네트워크를 활용하여 비밀 분산 기술을 통해 백업 보관하는 시스템을 실증실험하는 데 성공했다.

 

네트워크화 기술에서는 일대일 QKD 기술을 확장하여 대규모의 다대다 QKD 네트워크를 어떻게 구축할지가 과제이다.

 

그것을 위해 BB84 등을 통한 암호 키 생성은 링크별로 실행하면서도 네트워크 중계점에 트러스티드 노드를 다수 배치하여 키를 릴레이시킴으로써 송신 엣지와 수신 엣지 사이에서 암호 키를 공유하는 기술이 존재하며, 조기에 사회적으로 전개 및 보급될 것으로 기대된다.

 

트러스티드 노드를 전제로 하는 QKD 네트워크에서는 응용 기술로서 네트워크 관리 및 경로 제어 등의 연구개발이 성행하고 있다. 또한 지상계 네트워크에 더하여 우주 공간의 손실이 매우 적은 위성-지상 간 통신도 실시함으로써 QKD의 통신 거리를 대폭 증가시킬 수 있어, QKD 네트워크를 국제화하려면 지상계 및 위성계 네트워크가 융합되어야 한다.

 

양자 인터넷 기술에서는 단말기인 양자 컴퓨터 및 양자 센싱 디바이스에서 송신된 양자 정보를 어떻게 중첩 및 양자 얽힘과 같은 양자 상태를 순수한 상태에 가까운 채로 원격지로 전달할 것인지가 과제가 된다.

 

양자 인터넷을 실현하려면 양자 중계 기술이 꼭 필요하며, 그것을 위한 하나의 기술로서 양자 메모리가 존재한다. 양자 메모리를 실현하는 방법으로는, 예를 들어 다이아몬드 등의 재료를 활용하여 코히런스 시간(Coherence Time, 양자의 중첩 상태 등이 유지되는 시간)을 늘리기 위한 연구개발이 이루어지고 있다. 해당 기술은 기술적인 장벽이 높아 현재 기초 연구 단계에 있으며, 기술을 확립하기까지 오랜 기간이 걸릴 것으로 보인다.

 

양자 인터넷은 양자 중계 기술을 중계 노드에 도입하고 단말기인 양자 컴퓨터 및 양자 센싱 디바이스를 광섬유 회선으로 연결하여 대규모 매쉬 네트워크화함으로써 다대다로 양자 정보를 주고받을 수 있는 네트워크이며, 현재 양자 메모리를 포함한 디바이스 기술에 더해 네트워크 제어 기술까지 포함하여 다양한 연구개발이 이루어지고 있다.

 

또한 양자 메모리를 QKD에 응용하여 송신 엣지와 수신 엣지 사이에서 앞서 언급한 트러스티드 노드를 통하지 않고 암호 키를 공유하는 연구도 이루어지고 있다.

 

국내에서는 2024년 초에 한국전자통신연구원(ETRI)과 한국과학기술원(KAIST)이 손잡고 12대 국가전략 기술 중 하나인 양자 기술 전문인력 양성에 나서기로 했다.

 

두 기관은 서로 보유한 양자 기술 전문성과 교육 노하우를 활용해 양자대학원을 공동 운영할 계획이다.

 

ETRI-KAIST 양자대학원은 2024년부터 본격적인 학사 운영을 시작해 양자 기술 전문 지식과 양자 통신, 양자 컴퓨팅, 양자 센싱 등 다양한 응용 기술 연구개발 능력을 갖춘 인재를 양성하기로 했다.

 

국내 인력은 양자 기술의 잠재력을 최대한 발휘하기에 턱없이 부족한 상황이다.

 

3. 국제 표준화

 

QKD 네트워크 기술을 국제적으로 보급하는 데에는 국제 표준화도 중요하다.

 

ITU-T에서는 2019년 10월에 QKD 네트워크와 관련된 세계 최초의 국제 표준 권고 ITU-TY. 3800 ‘Overview on networks supporting quantum key distribution’이 발간되었다. 2022년 2월에는 TU-T Y.3809 ‘A role-based model in quantum key distribution networks deployment’가 권고 승인되었다.

 

국내에선 과학기술정보통신부 국립전파연구원이 국내 양자분야 최초로 국가표준을 제정했다.

 

이를 통해 양자 키 분배 네트워크의 개념과 기능 정의, 서비스 품질 평가 항목을 규정해 양자정보기술의 상용화에 필수적인 기술 기반을 체계적으로 확립했다.

 

이번 국가표준은 과학기술정보통신부, 국립전파연구원, 한국지능정보사회진흥원(NIA), 정보통신기획평가원(IITP), 미래양자융합포럼, 양자기술 글로벌 사실표준화 기구 퀸사(QuINSA) 등이 협력해 개발했다.

 

우리나라는 2022년 세계에서 세 번째로 양자암호통신 서비스를 상용화하고 세계 시장 선점 발판을 마련하기 위해 과학기술정보통신부를 중심으로 국제표준화기구 등에서 국제표준 정립에 적극적으로 참여해 왔다.

 

<표1> 국가표준 제정 주요 내용

 

한편, 가까운 일본에서는 일본 정보통신연구기구(NICT)가 정부 및 기업ㆍ대학과 연계하여 ITU-T 및 ISO/IEC SC1, ETSI 등에서 국제 표준화를 적극적으로 추진하고 있다.