과학자들이 양자 위성에서 얽힌 광자(entangled photons)를 통해 1,120km가 넘는 거리에서 보안키를 공유할 수 있는 방법을 제시했다.

2017년에 중국 지안웨이 판(Jian-Wei Pan)이 이끄는 팀은 위성에서 1,200km 떨어진 두 개의 지상국으로 양자 역학의 이상한 법칙에 의해 결합 된 입자인 얽힌 광자쌍을 전송할 수 있음을 보였다.

‘양자 키 분배(quantum key distribution,QKD)’에 기반한 초 보안 통신 채널을 만들기 위한 주요 단계로, 이 얽힌 광자는 두 개의 수신기로 암호키를 전송하는 데 사용된다. 이 접근 방식은 모든 양자 시스템의 상태를 조작하거나 측정하면 변경된다. 즉, 양자키가 전송될 때 수신자가 도청하고 있는지 알 수 있기 때문에 통신 채널을 들키지 않고 해킹하는 것은 본질적으로 불가능하다.

유일한 문제는 수 킬로미터의 구름과 먼지로 가득 찬 우주에서 2미터에 이르는 광학장치로 광자를 발사하는 복잡성이다. 위성에서 보낸 600만 개 중 약 1개의 광자 만이 그것을 통과한다는 것을 의미하며 이는 양자 키를 전송하기에는 너무 적다.

접근 방식을 미세 조정한 연구팀은 15일 네이처(Nature) 발표 논문에서 양자 키를 1,120km 떨어진 두 개의 지상국에 보낸 방법을 설명했다. 또한 양자 키의 보안을 방해할 수있는 다양한 잠재적 위협에 대비해 양자 통신 시스템을 강화했다. 핵심은 지상국의 얽힌 광자 수집 능력을 두 배 강화한 것이다.

이것은 렌즈에 대한 새로운 코팅과 얽힌 광자를 감지하는 데 사용되는 일련의 광학 시스템 최적화를 포함해 망원경에 대한 다양한 조정을 통해 달성됐다. 그 결과 초당 0.12 비트를 안전하게 전송할 수 있는 시스템이 탄생했다. 위성이 하루에 285초 동안 두 지상국과 동시에 연결될 수 있다는 것을 감안, 위성은 대략 34비트의 데이터를 전송할 수 있음을 의미한다.

여전히 많은 양의 데이터는 아니지만 실질적인 양자키를 제공하는 데 필요한 범위다. 연구원들은 위성 기반 접근 시스템의 링크 효율이 양자키를 제공하기 위한 대체 접근 방식보다 11배 더 높다고 추정한다. 광섬유를 통한 접근법은 지금까지 100km의 거리만을 달성했다.

효율성 향상 이외에도, 팀은 해커가 보안 링크를 손상하는 데 사용할 수 있는 몇 가지 잠재적 부 채널 공격을 해결했다. 사이드 채널 공격은 기본 암호화 시스템의 취약점을 악용하지 않고 소프트웨어 및 하드웨어에서 구현되는 방식이다. 중국 연구자들이 개발한 시스템에서 여기에는 다양한 단일 광자 검출기의 효율성에 있어 미세한 변화, 광자 검출 후 단기간 동안 반응하지 않는 요소, 빔 스플리터가 다르게 반응하는 방식 등이 포함된다.

이러한 모든 문제는 해커가 시스템 보안을 약화시키기 위해 악용될 수 있지만 연구팀은 잠재적 공격을 무효화하기 위해 다양한 하드웨어 조정을 개발했다.

그 결과 1,000km 이상의 거리에서 작동할 수 있는 실용적인 양자키 분배 시스템으로, 이전의 광섬유 기반 솔루션보다 크게 개선됐다. 판 연구팀은 올해 초 모바일 지상국과 최대 50km 거리의 양자 메모리를 연결하는 기술을 발표하기도 했다.

*Yin, J., Li, Y., Liao, S. et al. Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres. Nature (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2401-y