중국, 위성 이용해 최장거리 양자암호통신 성공(3.20)

중국과학기술대학 연구팀은 신형 양자통신위성 ‘지난(제남·Jinan) 1호’를 활용해 베이징과 남아프리카공화국 케이프타운을 잇는 1만 2900㎞ 구간의 양자키분배(QKD) 실험에 성공했다고 19일(현지 시간) 국제 학술지 ‘네이처’에 발표했다.

 

중국은 양자통신 분야에서 선도적인 연구를 진행하고 있다. 2016년 8월, 세계 최초의 양자통신 실험 위성인 '묵자(墨子)'호를 발사하여 1200km 떨어진 지상 관측소 간의 양자 정보를 전송하는 데 성공했다.

 

또한, 2023년에는 베이징 양자 데이터 과학연구원이 615km 거리의 광섬유 양자통신에 성공하여 기존 기록을 갱신했다.

 

연구팀은 베이징 시내 건물 옥상에 설치된 송신 지상국에서 남아공 케이프타운 스텔렌보스대에 설치된 수신 장치까지 양자 상태로 만든 레이저 광 펄스를 전송하는 데 성공했다. 광 펄스는 수신하는 쪽에서 보안 암호 키를 생성하는 데 사용됐다.

 

전송 실험에 사용된 QKD 기술은 양자역학의 불확정성 원리를 활용한 설계된 첨단 보안 기술이다. 송신자는 레이저 펄스를 각각 0과 1의 양자 중첩 상태로 설정해 전송한다. 전송된 레이저 펄스를 수산자와 송신자가 동일한 기준으로 측정된 결과를 비교해 고유한 암호 키를 생성하는 방식이다.

Quantum Key Distribution(QKD)(imegery = Quantum flagship)

 

연구팀이 개발한 'Jinan-1' 위성은 장거리 QKD를 가능하도록 중계기 역할을 수행했다. 양자 상태 광 펄스를 지상국에 보냈으며 송신자와 수신자는 Jinan-1을 매개체로 안전하게 암호 키를 공유했다. 또 이번 실험에서 Jinan-1은 최대 107만 비트의 보안 키를 생성했다. 단일 위성이 통과시킨 암호 키 중 역대 최대 규모다. Jinan-1이 실현한 양자 통신 방식은 기존 암호화 기술의 한계를 극복할 수 있는 차세대 보안 기술로 주목된다.

중국의 초소형 양자통신위성 '지난 1호'. (사진 : sedaily.com) :

 

 

Jinan 1  [CAS] (이미지 = https://space.skyrocket.de/)

Satellite	COSPAR	Date	LS	Launch Vehicle	Remarks
Huawan-Nanyue Kexue	2022-087	27.07.2022	Jq LP-43/130	Lijian-1 (Kinetica-1)	with SATech 01, GDMTSW, Jinan 1,  DZS 1, 2

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**양자 암호 통신(QKD, Quantum Key Distribution)**은 양자 역학의 원리를 이용해 암호 키를 안전하게 공유하는 기술이다. QKD의 핵심 개념은 양자 얽힘과 불확정성 원리를 활용하여 도청이 원천적으로 불가능하도록 만드는 것이다. 

 

1. QKD의 핵심 원리

(1) 비복제 정리(No-Cloning Theorem)

• 양자 상태를 완벽하게 복사할 수 없다는 원리입니다.
• 도청자가 중간에서 정보를 읽으려 하면 원래의 상태가 변해버려 도청을 즉시 감지할 수 있습니다.

(2) 양자 얽힘(Quantum Entanglement)

• 두 개의 광자가 얽힌 상태에 있을 때, 한 광자의 상태가 결정되면 즉시 다른 광자의 상태도 결정됩니다.
• 이를 이용하면 두 지점 간에서 절대적으로 보안이 보장된 암호 키를 생성할 수 있습니다.

(3) BB84 프로토콜 (가장 기본적인 QKD 프로토콜)

• 1984년 **찰스 베넷(Charles Bennett)**과 **질 브라사르(Gilles Brassard)**가 제안한 방식입니다.
• 송신자(Alice)가 무작위로 0과 1을 표현하는 양자 상태(편광된 광자)를 생성하여 수신자(Bob)에게 전송합니다.
• Bob이 측정한 값과 Alice의 원래 데이터가 특정 조건을 만족하면 안전한 암호 키를 공유할 수 있습니다.

2. QKD의 특징

(1)  절대적 보안: 해커가 중간에서 데이터를 읽으면 반드시 흔적이 남아 감지됨.
(2) 무조건적인 안전성: 고전 암호 방식은 해킹 가능성이 있지만, QKD는 양자역학적 법칙에 의해 보호됨.
(3) 미래 대응 가능: 양자 컴퓨터 시대에도 해킹이 불가능한 보안 체계 제공.

 

3. QKD의 한계점

(1)  전송 거리 제한: 현재 광섬유 QKD는 수백 km까지만 가능.
(2)  비싼 인프라 비용: 양자 채널 구축이 어려움.
(3)  양자 중계기 필요: 거리를 늘리기 위해 양자 중계기(Quantum Repeater)가 필요하지만, 아직 연구 단계.

 

4. QKD의 실제 응용

(1)   위성 기반 QKD

• 중국은 2016년 ‘묵자(墨子)’ 위성을 통해 세계 최초로 위성 기반 QKD 실험 성공.
• 1,200km 거리에서 양자 암호 키 전송 성공.
• 유럽연합, 미국, 일본 등도 위성 QKD 개발 중.

(2)   금융 및 국방 보안

• 중국, 스위스, 한국 등은 금융기관과 정부기관에 QKD 적용 중.
• 중국은 베이징-상하이 2,000km 구간의 양자 암호 네트워크를 구축.

(3)   양자 인터넷 구축

• 구글, IBM, 중국과학원 등이 연구 중.
• 양자 인터넷이 활성화되면 완전한 보안 통신망 가능.

5. 앞으로의 전망

• 양자 중계기 개발로 전송 거리 확대 예상.
• 위성 QKD 네트워크가 본격적으로 구축되면서 글로벌 보안망 형성.
• 상용화 확대로 금융, 국방, 클라우드 보안 분야에서 필수 기술로 자리잡을 가능성이 큼.