한국전자통신연구원(ETRI)과 KAIST가 공동연구로 위성, 선박 등 움직이는 환경에서 안정적인 양자통신을 구현할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다.

양자통신은 이동 중인 환경에서 날씨나 환경 변화의 영향을 받아 불안정해지는 문제가 있다. 특히 하늘이나 바다처럼 실시간 변하는 환경에서는 양자 상태의 안정적인 전달이 매우 어렵다.

이번 연구는 이러한 한계를 극복하고 이동 중에도 안정적으로 양자정보를 주고받을 수 있는 기술적 가능성을 최초로 연 것으로, 향후 위성과 지상 간 보안통신, 드론 및 해상통신 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

양자키분배(QKD) 기술은 양자역학 원리를 이용해 도청이 원천 불가능한 암호키를 분배하는 기술이지만, 기존 QKD 프로토콜은 채널 상태가 바뀔 때마다 수신부 측정장치 보정이 필요했다.

이번에 개발한 기술은 간단한 국부 연산만으로 채널 상태에 관계없이 안정적인 키 분배가 가능함을 KAIST 배준우 교수팀이 정립하고, ETRI가 연구실험을 수행했다.

연구진은 단일광자 펄스를 생성하기 위해 100㎒ 광원 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)를 10m 자유공간에 최대 30㏈ 손실을 적용한 장거리 전송 환경을 구현했다.

여기에 다양한 편광 노이즈를 삽입해 무선환경의 장거리 실험을 상정, 열악한 상황에서 양자 전송과 측정이 원활함을 검증하고, 송수신 단에 각각 3개의 파장판을 장착해 국부 연산을 구현했다.

실험 결과 측정보호(MP) 기반 QKD 시스템은 전송된 양자비트 오류율(QBER)최대 허용치를 기존 대비 20.7% 높였다.

수신된 양자비트 중 오류가 20.7% 미만이면 별도 보정 없이 안정적인 양자키분배가 가능함을 의미한다.

이는 측정 보정 없이도 다양한 채널노이즈 환경에서 안정적인 키 생성을 달성해 신뢰성 있는 양자통신을 구현할 수 있는 기반을 마련한 것으로, 이번 성과는 위성-지상 링크와 유사한 환경에 적용할 수 있다.

또 연구진은 QKD 실용화 핵심 과제인 ‘편광 의존 손실’에 대한 실험적 보정 방법을 제시, 집적화 칩 기반 QKD 시스템의 성능저하를 해결함으로써 소형·경량 QKD 장비 상용화에 기여할 것으로 기대된다.

집적형 QKD는 기존 고가·대형 벌크 광학시스템을 대체할 차세대 기술로 주목받고 있지만, 편광 기반 QKD에서는 집적화 과정에서 편광 의존 손실이 발생해 성능 저하를 유발하는 문제가 있었다.

이에 연구진은 간단한 광학부품으로 이 손실을 보정하고, 편광 기반 QKD 시스템에 적용해 성능저하 없이 안정적인 키 분배가 가능함을 실험으로 입증했다. 

임경천 ETRI 양자통신연구실 기술총괄은 “QKD 시장 확산을 위해 집적화 칩 연구는 필수불가결로, 편광 의존 손실뿐 아니라 집적화 칩 기반의 QKD 시스템 구현에 극복할 문제가 많아 관련 연구가 더 필요하다”고 설명했다.

윤천주 ETRI 양자기술연구본부장은 “채널 변화에 독립적인 QKD 구현은 양자암호통신의 유연성을 획기적으로 높인다”며 “장거리 자유공간 링크 기술로 확장해 글로벌 양자 네트워크 기반을 마련하겠다”고 말했다.

또 배준우 KAIST 전기및전자공학부 교수도 “이번 성과는 복잡한 환경에서도 신뢰할 수 있는 양자보안통신을 현실로 끌어올리는 결정적 전환점이 될 것”이라고 강조했다.

한편, ETRI는 지난 10년간 양자암호통신 집적화 칩 및 초소형 모듈 개발, 무선 양자암호통신 실환경 100m 전송, 양자컴퓨팅 컴파일러 기술, 통신 3사와 전송시스템 표준화, 상온 양자 인터넷 핵심기술, 세계 최초 암호 양자 안전성 검증기술 개발 등 성과를 이어왔다.