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 방식으로, 양 기관은 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.