양자 암호 키 분배 (r1)

양자 암호 키 분배의 기본 원리는 양자역학의 근본적인 성질인 양자 중첩과 측정에 의해 파괴된다는 원리에 기반한다. 양자 중첩은 하나의 양자 상태가 서로 다른 두 개 이상의 상태의 조합으로 존재할 수 있는 현상을 의미한다. 예를 들어, 광자 하나의 편광 상태는 수직(0도) 상태와 수평(90도) 상태가 동시에 중첩된 상태로 존재할 수 있다.

이러한 중첩 상태는 측정 행위 자체에 의해 결정적으로 붕괴된다. 측정은 특정한 기저, 예를 들어 직선 기저(0도/90도)나 대각선 기저(45도/135도)를 선택하여 수행된다. 만약 측정 기저가 입자의 중첩 상태를 구성하는 기저와 일치하면, 측정은 확정적인 결과를 준다. 그러나 측정 기저가 일치하지 않으면, 결과는 완전히 무작위적으로 결정되며, 측정 후 원래의 중첩 상태는 파괴된다.

이 원리는 BB84 프로토콜과 같은 양자 키 분배의 보안성을 보장하는 핵심이다. 송신자(앨리스)는 무작위로 선택한 기저로 광자의 편광 상태를 준비하여 수신자(밥)에게 보낸다. 밥도 무작위로 기저를 선택하여 측정한다. 이후 공개 채널을 통해 기저 선택 순서만을 비교하여, 서로 같은 기저를 사용한 경우의 측정 결과만을 비밀 키로 사용한다. 도청자(이브)가 중간에 측정을 시도하면, 그 행위 자체가 양자 상태를 교란시키기 때문에 알리스와 밥의 오류율을 증가시켜 도청 사실을 발각시킬 수 있다[2].

BB84 프로토콜은 찰스 베넷과 질 브라사르가 1984년에 제안한 최초의 양자 암호 키 분배 프로토콜이다. 이 프로토콜은 두 당사자(앨리스와 밥)가 안전하게 비밀 키를 공유할 수 있도록 설계되었으며, 그 안전성은 양자역학의 기본 원리, 특히 양자 중첩 상태의 측정 불가역성과 불확정성 원리에 기반한다.

프로토콜은 두 가지 직교 기저를 사용한다. 일반적으로 수평/수직 편광을 나타내는 직선 기저(+)와 대각선 편광을 나타내는 대각선 기저(×)가 사용된다. 각 기저 내에는 두 개의 서로 직교하는 상태가 존재한다. 예를 들어, 직선 기저에서는 0도(→)와 90도(↑)가, 대각선 기저에서는 45도(↗)와 135도(↖)가 사용된다. 앨리스는 무작위로 비트 값(0 또는 1)과 기저(+ 또는 ×)를 선택하여 해당하는 단일 광자 상태를 생성해 밥에게 전송한다. 밥은 각 광자를 수신할 때마다 무작위로 기저(+ 또는 ×)를 선택하여 측정한다.

전송이 끝난 후, 앨리스와 밥은 공개 채널(예: 전화)을 통해 각 비트에 사용한 기저만을 공개한다. 두 사람이 동일한 기저를 사용한 경우, 밥의 측정 결과는 앨리스가 보낸 비트와 일치한다. 이 비트들은 비밀 키의 후보가 된다. 기저가 일치하지 않은 비트는 폐기한다. 이후, 무작위로 선택한 후보 키의 일부를 공개하여 오류율을 확인한다. 이상적인 조건에서 도청자가 없는 경우 오류율은 매우 낮다. 그러나 이브와 같은 도청자가 존재하면, 그녀는 전송 중인 광자를 측정해야 한다. 양자역학의 원리에 따라 이브는 앨리스와 동일한 기저를 사용하지 않으면 원래 상태를 교란시키게 되고, 이는 앨리스와 밥 사이의 공개된 샘플 비트 비교에서 높은 오류율로 나타난다. 오류율이 특정 임계값을 초과하면 키를 폐기하고 프로토콜을 다시 시작한다.

안전성은 양자역학의 두 가지 근본적인 원리에 기반한다. 첫째는 양자 중첩 상태에 있는 입자를 측정하면 그 상태가 교란된다는 불확정성 원리이다. 둘째는 양자 얽힘 상태에 있는 입자 쌍의 정보를 복제할 수 없다는 양역복제불가정리이다.

BB84 프로토콜을 예로 들면, 송신자(앨리스)는 서로 다른 두 기저(예: 수직/수평 편광과 대각선 편광) 중 하나를 무작위로 선택해 단일 광자를 준비하여 전송한다. 도청자(이브)가 정확한 기저를 알지 못한 채 측정을 시도하면, 그 측정 행위 자체가 광자의 양자 상태를 무작위로 변경하게 된다. 이 변경은 이후 송수신자(밥) 간의 공개 통신 과정에서 오류율로 나타나 도청 시도를 감지할 수 있게 한다.

따라서, 양자 암호 키 분배의 보안은 계산의 복잡성에 의존하는 전통적 공개 키 암호 방식과 근본적으로 다르다. 그 안전성은 정보 이론적 보안을 제공하며, 도청 시도가 물리 법칙에 의해 필연적으로 발각된다는 점에 기초한다. 이는 미래의 양자 컴퓨터가 등장하더라도 해독될 수 없는 보안의 토대를 마련한다.

BB84는 찰스 베넷과 질 브라사르가 1984년에 제안한 최초의 양자 암호 키 분배 프로토콜이다. 이 프로토콜은 송신자(앨리스)와 수신자(밥)가 완전히 무작위적인 비밀 키를 공유할 수 있도록 하며, 그 안전성은 양자역학의 기본 원리, 특히 양자 중첩 상태의 측정 불가침성과 불확정성 원리에 기반한다.

프로토콜의 핵심은 두 쌍의 비직교 편광 기저를 사용하는 것이다. 앨리스는 비밀 키를 구성할 비트(0 또는 1)를 무작위로 생성하고, 동시에 두 기저 중 하나를 무작위로 선택하여 광자를 전송한다. 예를 들어, 수평/수직 기저(+)에서는 0을 수평 편광, 1을 수직 편광으로 인코딩한다. 대각선 기저(×)에서는 0을 45도 편광, 1을 135도 편광으로 인코딩한다. 밥은 수신 시 자신도 무작위로 기저를 선택하여 측정한다. 올바른 기저로 측정하면 송신된 비트가 정확히 복원되지만, 잘못된 기저로 측정하면 결과는 완전히 무작위가 된다.

전송이 끝난 후, 앨리스와 밥은 공개 채널(예: 전화)을 통해 사용한 기저 순서만을 공개하고 비교한다. 기저가 일치한 경우의 측정 결과만을 비밀 키의 원재료로 남긴다. 기저가 일치하지 않은 비트는 모두 폐기한다. 프로토콜의 보안 검증을 위해, 남은 비트 중 일부를 샘플링하여 공개 채널에서 비교한다. 만약 도청자(이브)가 중간에 광자를 가로채 측정했다면, 양자역학 법칙에 의해 원래 상태를 교란시키게 되고, 이는 비교된 샘플 비트에서 높은 오류율로 나타난다. 오류율이 임계치를 초과하면 키를 폐기하고 프로세스를 다시 시작한다.

BB84는 개념적으로 단순하면서도 물리적 원리에 근거한 강력한 보안을 제공하여, 이후 수많은 양자 암호 프로토콜과 실험적 구현의 기초가 되었다.

E91 프로토콜은 아르투르 에커트가 1991년 제안한 양자 암호 키 분배 프로토콜이다. 이 프로토콜은 BB84 프로토콜과 달리 양자 얽힘(Quantum Entanglement) 현상을 보안의 핵심적 근간으로 삼는다. 두 개의 얽힌 입자 쌍을 생성하여 통신 당사자인 앨리스와 밥에게 각각 하나씩 전송하는 방식으로 동작한다.

프로토콜의 구체적인 절차는 다음과 같다. 먼저, 제3자인 신뢰할 수 있는 광원이 벨 상태(Bell State)와 같은 얽힌 광자 쌍을 생성한다. 생성된 쌍은 각각 앨리스와 밥에게 전송된다. 양측은 사전에 합의되지 않은 무작위 기저[4]를 선택하여 각자 받은 광자를 측정한다. 측정 후, 앨리스와 밥은 공개 채널을 통해 자신이 사용한 기저만을 서로 공개한다. 이때, 측정 결과 자체는 공개하지 않는다. 기저가 일치한 경우에만 그 측정 결과를 비밀 키의 한 비트로 사용한다. 얽힌 상태의 특성상, 앨리스와 밥의 측정 결과는 완벽한 상관관계[5]를 보이기 때문에 동일한 키를 공유할 수 있다.

E91 프로토콜의 보안성은 벨 부등식 위반 검증에 직접적으로 연결된다. 도청자가 존재하면 얽힘 상태가 교란되어 벨 부등식 위반 정도가 감소한다. 따라서 앨리스와 밥은 샘플 측정 데이터를 사용해 벨 부등식을 테스트함으로써 통신 채널의 안전성을 수학적으로 증명 가능한 형태로 검증할 수 있다. 이는 단순히 오류율을 감지하는 BB84와 차별되는 강점이다.

이 프로토콜은 양자 암호의 기본 원리를 명확히 보여주지만, 얽힌 상태를 생성하고 전송하는 기술적 난이도로 인해 BB84 프로토콜보다 실용화에는 더 많은 도전 과제가 남아 있다. 그러나 양자 중계기나 양자 인터넷과 같은 미래 양자 네트워크의 핵심 구성 요소로서의 잠재력을 가지고 있다.

B92 프로토콜은 찰스 베넷이 1992년에 제안한 양자 암호 키 분배 프로토콜이다. 이 프로토콜은 BB84 프로토콜의 단순화된 변형으로, 두 개의 비직교(non-orthogonal) 양자 상태만을 사용한다는 특징을 가진다. 송신자(앨리스)는 두 개의 서로 다른 광자 편광 상태, 예를 들어 수평 편광(|0〉)과 45도 편광(|+〉)을 준비하여 전송한다. 각 상태는 0 또는 1의 비트 값을 의미하지만, 두 상태는 서로 완전히 구별할 수 없는 비직교 관계에 있다.

수신자(밥)는 두 가지 측정 기저 중 하나를 무작위로 선택하여 수신한 광자를 측정한다. 하나의 기저는 송신자가 사용한 두 상태 중 하나를 정확히 구별할 수 있지만, 다른 기저로 측정할 경우 결과가 불확정적이다. 측정 후, 밥은 자신이 사용한 측정 기저를 공개 채널을 통해 알리스에게 알린다. 알리스는 자신이 보낸 상태가 밥의 측정 기저와 일치하는 경우에만 해당 비트를 유효한 키 비트로 채택한다. 일치하지 않는 경우, 즉 밥이 잘못된 기저로 측정한 경우의 결과는 폐기한다.

이 프로토콜의 보안성은 비직교 상태의 구별 불가능성에 기반한다. 도청자(이브)가 중간에서 신호를 가로채려고 하면, 그녀도 어떤 기저로 측정할지 선택해야 한다. 잘못된 기저를 선택할 경우 원래 상태를 교란시키게 되고, 이는 최종적으로 알리스와 밥 사이의 오류율을 증가시킨다. 이렇게 증가한 오류율을 감지함으로써 두 당사자는 도청 시도를 탐지하고 해당 키를 버릴 수 있다.

B92 프로토콜은 BB84에 비해 구현이 비교적 단순하고 필요한 장비가 적다는 장점이 있다. 그러나 비직교 상태 두 개만을 사용하기 때문에 키 생성 효율(key sift rate)이 BB84 프로토콜보다 낮은 단점이 있다[6]. 또한 실제 시스템에서는 단일 광자 검출기의 효율과 암흑 계수(dark count) 같은 한계로 인해 전송 거리와 키 생성 속도에 제약을 받는다.

양자 광원은 양자 암호 키 분배 시스템에서 정보의 기본 반송파 역할을 하는 단일 광자를 생성하는 핵심 장치이다. 이상적인 양자 광원은 정확히 하나의 광자만을 요구된 시간에, 요구된 양자 상태로 방출해야 한다. 그러나 실제로는 단일 광자가 아닌 다중 광자 펄스가 생성되거나, 광자의 편광 상태가 불완전할 수 있으며, 이러한 결함은 보안에 취약점을 만들 수 있다[8].

주요 구현 기술은 다음과 같다.

현재 상용 시스템은 대부분 구현의 용이성과 비용 측면에서 약한 레이저 펄스 방식을 채용한다. 그러나 최고 수준의 보안을 요구하는 응용 분야를 위해서는 양자점 기반의 진정한 단일 광자원 개발이 활발히 진행 중이다. 이러한 광원의 성능은 방출 효율, 광자 간 구별 불가능성, 그리고 광자 상태의 순도 같은 지표로 평가된다.

양자 암호 키 분배 시스템에서 정보의 물리적 담체인 단일 광자를 송신자에서 수신자로 전달하는 매체를 전송 채널이라고 한다. 주로 사용되는 채널은 광섬유와 자유 공간 두 가지이며, 각각의 환경에 맞는 특성과 한계를 가진다.

광섬유 채널은 기존의 광통신 인프라를 활용할 수 있어 실용화에 유리하다. 그러나 광섬유 내에서 발생하는 감쇠 현상은 전송 거리를 제한하는 주요 요인이다. 특히 1550nm 파장대에서 단일 광자 신호는 약 0.2dB/km의 손실을 겪으며, 이는 약 200-300km 정도가 실용적인 최대 전송 거리로 여겨진다[9]. 또한, 광섬유의 선형 복굴절이나 온도 변화에 따른 위상 잡음은 위상 부호화 방식의 프로토콜 정확도에 영향을 미칠 수 있다.

반면, 자유 공간 채널은 대기나 진공을 매개로 단일 광자를 전송한다. 지상 간 통신에서는 대기 산란과 기상 조건(안개, 강수)이 주요 손실 원인이다. 그러나 대기는 특정 파장(예: 780nm, 850nm 부근)에서 감쇠가 비교적 낮은 "광학 창"을 가지며, 이 대역을 이용한다. 가장 주목받는 응용은 위성 통신 응용이다. 우주 공간은 진공 상태이므로 감쇠가 극히 적어, 지상국과 위성 간, 또는 위성 간 장거리 양자 키 분배를 가능하게 하는 유망한 경로이다.

다음은 두 주요 전송 채널의 특징을 비교한 표이다.

단일 광자 검출기는 양자 암호 키 분배 시스템에서 전송된 양자 상태를 담은 광자를 검출하는 핵심 장치이다. 이 검출기는 극도로 약한 신호인 단일 광자의 도착을 신뢰성 있게 감지하고, 그 광자의 편광 또는 위상 등의 양자 정보를 고전적인 전기 신호로 변환하는 역할을 한다. 시스템의 최종적인 키 생성률과 전송 거리는 검출기의 효율성과 잡음 특성에 크게 의존한다.

주로 사용되는 검출기 유형은 초전도 나노선 단일 광자 검출기(SNSPD)와 증배관 광다이오드(APD)이다. SNSPD는 극저온에서 작동하여 매우 높은 검출 효율과 낮은 암계수를 제공하지만, 장비가 복잡하고 비용이 높은 단점이 있다. 반면, 실리콘 또는 인듐 갈륨 비소(InGaAs) 기반의 APD는 상대적으로 간편하고 실용적이어서 광범위하게 사용되지만, 일반적으로 낮은 검출 효율과 높은 암계수를 보인다. 주요 성능 지표는 다음과 같다.

실제 시스템에서는 검출기의 결함이 보안에 직접적인 영향을 미친다. 예를 들어, 사멸 시간이 긴 검출기는 파밍 공격에 취약할 수 있으며, 불완전한 검출 효율은 키 생성률을 제한한다. 또한, 검출기의 특성(예: 특정 파장 대역의 감도)은 사용 가능한 양자 광원의 파장과 전송 채널(광섬유의 손실 최소점)을 결정하는 주요 요소가 된다. 따라서 안전하고 효율적인 양자 키 분배를 위해서는 높은 효율, 낮은 잡음, 빠른 응답 속도를 갖춘 검출기 개발이 지속적인 연구 과제이다.

양자 도청 공격은 양자 암호 키 분배 시스템의 안전성을 시험하기 위해 고안된 이론적 공격 모델이다. 이 공격은 양자 역학의 기본 원리를 이용하여 통신 중인 양자 비트(큐비트)의 상태를 측정하거나 변조하려는 시도를 포함한다. 공격의 목표는 합법적 수신자(밥)와 송신자(앨리스)가 공유하려는 비밀 키의 정보를 얻거나, 키 분배 과정을 방해하는 것이다.

가장 대표적인 공격으로는 중간자 공격이 있다. 공격자(이브)는 앨리스가 밥에게 보내는 단일 광자를 가로채어 자신의 측정 기저로 측정한 후, 그 결과에 따라 새로운 광자를 생성하여 밥에게 전송한다. 그러나 하이젠베르크 불확정성 원리에 따라 이브는 앨리스의 원래 측정 기저를 알지 못한 채 측정하면 필연적으로 양자 상태를 교란시킨다. 이 교란은 이후 앨리스와 밥이 기저를 비교하는 공개 통신 단계에서 비정상적으로 높은 양자 비트 오류율로 나타나기 때문에 탐지될 수 있다.

실제 시스템에서는 이상적인 단일 광자원 대신 약한 응집 광 펄스를 사용하거나, 검출기의 효율이 불완전하여 추가적인 취약점이 발생할 수 있다. 예를 들어, 광자 수 분할 공격은 약한 펄스가 평균적으로 1개 미만의 광자를 포함하더라도, 일부 펄스가 2개 이상의 광자를 가질 수 있다는 점을 이용한다. 이브가 이러한 펄스에서 광자 하나만 빼내어 측정하면 상태 교란 없이 정보를 얻을 수 있다. 이러한 공격은 诱骗态 프로토콜과 같은 방법으로 방어한다.

실제 양자 암호 키 분배 시스템은 이론적으로 완벽한 안전성을 보장하는 물리 법칙에 기반하지만, 구현 과정에서 사용되는 하드웨어의 불완전성은 여러 보안 취약점을 만들어낸다. 가장 근본적인 문제는 이상적인 단일 광자 광원을 구현하는 것이 기술적으로 매우 어렵다는 점이다. 많은 시스템이 약한 레이저 펄스를 사용하여 단일 광자를 근사하는데, 이 경우 하나의 펄스에 두 개 이상의 광자가 포함될 확률이 존재한다. 공격자는 이 다중 광자 결함을 이용한 분수 공격을 수행할 수 있다. 공격자는 전송 중인 펄스에서 여분의 광자를 빼내어 측정한 후, 나머지 광자를 정상적으로 수신자에게 전달한다. 이렇게 하면 도청 사실이 노이즈로 감지되지 않으면서 키 정보가 유출된다.

검출기 측면에서도 중요한 결함이 존재한다. 단일 광자 검출기는 매우 민감한 장치로, 특정 조건에서 공격자가 제어할 수 있는 눈먼 공격에 취약하다. 강한 빛을 검출기에 조사하여 포화 상태로 만든 후, 공격자가 원하는 신호를 주입하면 검출기는 이를 유효한 단일 광자 신호로 오인하여 응답한다[11]. 또한, 실제 시스템의 광학 부품들은 이론적으로 가정한 것과 완벽히 일치하지 않는다. 편광자나 위상 변조기의 불완전성, 광원의 스펙트럼 불순물, 타이밍 제어의 오차 등은 모두 정보 누출의 잠재적 경로가 된다.

이러한 하드웨어 결함으로 인해 발생하는 정보 누출을 정량화하고 제거하는 것이 실제 시스템 보안의 핵심 과제이다. 이를 해결하기 위해 장치 독립 양자 키 분배와 같은 보다 강력한 보안 개념이 제안되었지만, 현재 기술 수준에서는 구현이 매우 어렵다. 따라서 대부분의 상용 시스템은 이러한 결함을 인지하고, 측정 가능한 시스템 매개변수를 기반으로 도청자가 획득할 수 있는 정보량의 상한을 추정하는 보안 증명 방식을 채택한다. 이후 포스트 프로세싱 단계에서 이 추정치를 반영하여 안전성이 보장된 최종 키를 도출한다.

사이드 채널 공격은 암호 시스템의 암호 알고리즘 자체의 수학적 약점을 공격하는 것이 아니라, 시스템이 물리적으로 구현되고 운영되는 과정에서 발생하는 정보 누출을 이용하는 공격 기법이다. 양자 암호 키 분배 시스템은 이론적으로는 완벽한 안전성을 제공하지만, 실제 하드웨어와 소프트웨어 구현에는 다양한 부채널 정보가 존재할 수 있다.

공격자는 전력 소비량, 전자기 방사, 작동 시간, 소음, 심지어 장치의 열 방출 패턴과 같은 물리적 특성을 측정하여 비밀 키와 관련된 정보를 얻으려고 시도한다. 예를 들어, 단일 광자 검출기의 동작 시점이나 전류 소모 패턴을 분석하면 광자가 검출되었는지 여부를 추론할 수 있으며, 이는 결국 키 비트 정보의 일부를 노출시킬 수 있다. 또한, 제어 소프트웨어의 타이밍 차이를 이용한 타이밍 공격도 가능하다.

이러한 공격을 방어하기 위해 다양한 대책이 연구되고 적용된다. 주요 방법으로는 전력 소비 패턴을 평탄화하는 전력 분석 대책, 모든 연산에 고정된 시간을 할당하는 상수 시간 실행, 광학 부품을 포함한 하드웨어의 물리적 차폐, 그리고 불필요한 정보를 제거하는 신호 처리 기법 등이 있다. 시스템의 안전성을 보장하기 위해서는 양자 프로토콜의 이론적 안전성 검증과 함께, 구현 단계에서의 철저한 사이드 채널 분석과 대응이 필수적이다.

양자 암호 키 분배의 상용화 제품은 주로 네트워크 보안, 금융 거래, 정부 기밀 통신, 데이터 센터 연결 등 고도의 보안이 요구되는 분야에 초점을 맞추고 있다. 초기 시스템은 높은 가격과 복잡성으로 인해 시장이 제한적이었으나, 기술 발전과 함께 점차 소형화, 모듈화되어 보다 넓은 적용이 이루어지고 있다.

주요 글로벌 기업들은 다양한 형태의 상용 제품을 출시하고 있다. 스위스의 ID Quantique는 2001년 설립된 최초의 상용 QKD 기업으로, 클래우드 보안 및 네트워크 암호화 장비를 제공한다. 미국의 MagiQ Technologies와 QuintessenceLabs도 각각 양자 난수 생성기 및 키 관리 솔루션을 공급한다. 일본의 Toshiba는 고속 QKD 시스템과 이를 광섬유 네트워크에 통합하는 기술을 선보이고 있으며, 중국의 국盾量子 (QuantumCTek) 역시 활발히 제품을 판매하고 있다.

이들 제품은 대부분 기존 광통신 인프라와의 호환성을 고려하여 개발된다. 일반적인 구성은 양자 채널을 통해 암호 키를 분배하는 QKD 송수신기와, 분배된 키를 사용하여 데이터를 실시간으로 암호화/복호화하는 고속 암호화 장치로 이루어진다. 최근에는 랙 장착형 19인치 표준 규격의 장비나, 소형 모듈 형태의 제품도 등장하여 설치와 운영의 편의성을 높이고 있다.

국내에서는 SK텔레콤, KT 등의 통신사와 연구기관이 협력하여 시험망을 구축하고 기술 개발을 진행해 왔다. 이를 바탕으로 국산 기술을 적용한 상용화 제품 개발과 시범 서비스가 추진되고 있으며, 주요 목표는 금융권 네트워크, 공공 기관의 기밀 통신망 등에의 도입이다.

양자 암호 키 분배의 연구 및 실증을 위한 네트워크는 전 세계적으로 구축되어 운영 중이다. 초기에는 대학과 연구기관 중심의 소규모 테스트베드에서 시작되었으나, 점차 규모를 확대하여 도시 규모의 메트로폴리탄 네트워크나 장거리 백본 네트워크로 발전하는 추세이다. 이러한 네트워크는 BB84 프로토콜이나 엔탱글먼트 기반 프로토콜 등 다양한 방식을 실험하고, 실제 통신 환경에서의 성능과 안정성을 검증하는 핵심 인프라 역할을 한다.

국외의 대표적인 사례로는 2008년 운영을 시작한 SECOQC 네트워크(유럽)와 DARPA 양자 네트워크(미국)를 들 수 있다. 특히 중국은 이 분야에서 빠른 진전을 보였는데, 2016년 발사한 양자 과학 실험위성 미쾌스를 통해 베이징과 비엔나 간 약 7,600km에 달하는 지상-위성 간 양자 키 분배 링크를 구축하는 데 성공했다[12]. 이는 위성을 이용한 글로벌 양자 통신 네트워크의 실현 가능성을 입증한里程碑적인 사건이었다.

국내에서도 활발한 연구 네트워크 구축 사업이 진행 중이다. 한국표준과학연구원(KRISS), 한국전자통신연구원(ETRI) 등이 중심이 되어 서울-대전 간 약 150km 급 광섬유 백본 링크를 구축하고 성능을 평가했다. 또한, 과학기술정보통신부 주관으로 추진 중인 '국가양자기술사업'은 2020년대 중반까지 수도권 등 주요 지역에 양자암호통신 시험망을 구축하는 것을 목표로 하고 있다. 이 네트워크는 금융, 공공기관 등에 서비스를 제공하는 상용화 모델을 실증하는 장이 될 전망이다.

이러한 연구 네트워크들은 단순한 기술 실증을 넘어, 실제 서비스 환경에서 발생할 수 있는 사이드 채널 공격 대응, 네트워크 관리 프로토콜, 다른 통신 서비스와의 공존 문제 등 실용화의 난제를 해결하는 데 필수적인 데이터와 경험을 제공한다.

양자 암호 키 분배 기술은 지상 기반 광섬유 네트워크의 거리 한계를 극복하기 위한 수단으로 위성 플랫폼을 활용하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 광섬유에서는 광자의 손실과 감쇠로 인해 전송 거리가 수백 km로 제한되지만, 지구 저궤도 위성과 지상국 사이의 대기 통과 구간은 상대적으로 손실이 적다. 이를 통해 대륙 간 또는 전 지구적 규모의 안전한 암호 키 분배 네트워크 구축이 가능해진다.

실험은 주로 저궤도 위성에서 지상으로 단일 광자를 하향 전송하는 방식으로 이루어진다. 2016년 중국의 양자 과학 실험 위성 '墨子號'는 지상국과 1,200km 이상의 거리에서 안전한 키 분배에 성공했으며, 위성 궤도상에서 광자의 양자 얽힘 상태를 생성하고 분배하는 실험도 수행했다[13]. 이는 양자 중계기 없이 직접적인 양자 통신이 가능한 최장 거리 기록이다.

위성 기반 시스템의 주요 구성 요소와 특징은 다음과 같다.

현재의 도전 과제는 주간 운용, 기상 조건에 대한 강건성, 고속 비트율 달성, 그리고 궤도상 위성 간의 양자 키 분배 실현이다. 미래에는 이러한 위성 노드를 연결하여 궤도상 양자 인터넷의 백본을 형성하는 것이 장기적인 목표로 제시되고 있다.

양자 중계기는 양자 암호 키 분배의 통신 거리를 획기적으로 확장하기 위한 핵심 기술이다. 기존 QKD 시스템은 광섬유에서는 약 100-200km, 자유 공간에서는 대기 조건에 따라 제한된 거리에서 동작하는데, 이는 광자의 손실과 단일 광자 검출기의 효율 한계 때문이다. 양자 중계기는 이러한 거리 한계를 극복하기 위해 중간 지점에 신뢰할 수 있는 중계 노드를 배치하지 않고, 양자 얽힘과 양자 상태 전송 원리를 이용하여 양자 정보를 증폭하거나 재생성한다.

양자 중계기의 주요 접근 방식은 양자 얽힘 스와핑과 양자 상태 순간 이동에 기반한다. 두 개의 독립적인 양자 얽힘 쌍을 생성한 후, 중계기에서 이들 쌍의 한 부분씩을 벨 상태 측정과 같은 공동 측정을 수행하면, 나머지 두 부분이 얽힌 상태가 된다. 이 과정을 통해 원격지에 있는 두 통신 당사자 간에 직접적인 물리적 연결 없이도 안전한 양자 채널을 구축할 수 있다. 이는 중계기 자체가 암호 키 정보를 알지 못하게 하면서도 신호를 전달할 수 있는 이점을 제공한다.

현재 양자 중계기 연구는 실험실 단계를 넘어 현장 실증 단계에 진입하고 있다. 주요 기술적 과제는 양자 메모리의 성능 향상, 얽힘 생성 및 유지 효율 극대화, 그리고 복잡한 시스템의 실용화이다. 아래 표는 양자 중계기의 주요 유형과 특징을 비교한 것이다.

양자 중계기의 실현은 양자 인터넷 구상의 핵심 요소로, 대륙 간 또는 전 지구적 규모의 안전한 양자 통신 네트워크를 가능하게 할 것으로 기대된다. 이를 통해 기존의 지리적 제약을 벗어난 보안 통신 인프라가 구축될 전망이다.

양자 인터넷은 양자 암호 키 분배를 넘어 양자 얽힘과 양자 중계를 활용하여 분산된 양자 정보를 처리하는 차세대 네트워크 인프라를 지칭한다. 기존의 인터넷이 클래식 비트(0 또는 1)를 전송하는 정보 고속도라면, 양자 인터넷은 큐비트를 전송하여 양자 컴퓨팅, 양자 센싱, 보안 통신 등이 결합된 새로운 응용 서비스를 가능하게 한다. 핵심 목표는 지리적으로 떨어진 양자 프로세서나 메모리를 양자 얽힘 상태로 연결하여 하나의 분산된 양자 컴퓨터처럼 동작하도록 하는 것이다.

양자 인터넷의 기본 구성 요소는 양자 노드, 양자 채널, 그리고 양자 중계기이다. 양자 노드는 양자 정보를 생성, 처리, 저장할 수 있는 장치(예: 양자 메모리, 이온 트랩, 초전도 큐비트)이며, 이들 사이를 광섬유나 자유 공간 링크를 통해 광자가 이동한다. 그러나 광자는 채널에서 손실되기 쉽기 때문에 장거리 통신을 위해서는 양자 중계기가 필수적이다. 양자 중계기는 양자 얽힘 스와핑과 양자 순간 이동 프로토콜을 사용하여 손실 없이 양자 상태를 전달하는 역할을 한다.

현재 양자 인터넷은 초기 연구 단계에 있으며, 소규모 테스트베드 네트워크를 통해 개념을 입증하고 있다. 대표적인 사례로는 네덜란드의 QuTech와 KPN이 구축한 네트워크, 미국의 아르곤 국립연구소와 시카고 대학교를 연결한 시험망 등이 있다. 이들 네트워크는 몇 개의 노드로 구성되어 양자 키 분배와 간단한 양자 순간 이동 실험을 수행한다. 실용화를 위한 주요 과제는 양자 메모리의 수명과 효율성 향상, 고속 양자 중계 기술 개발, 그리고 다양한 양자 하드웨어 플랫폼 간의 호환성 확보이다.

궁극적으로 양자 인터넷이 실현되면, 기존의 양자 암호 키 분배를 넘어서는 응용 분야가 열릴 것으로 전망된다. 예를 들어, 개인 정보를 노출하지 않고 복수의 기관이 협력하여 데이터를 분석하는 보안 다자간 계산, 지구 규모의 극도로 정밀한 양자 센싱 네트워크, 그리고 계산 능력이 기하급수적으로 향상된 분산 양자 클라우드 컴퓨팅 등이 가능해진다.

양자 암호 키 분배의 실용적 도입과 상호 운용성을 보장하기 위해서는 국제적 차원의 표준화와 적절한 규제 체계 수립이 필수적인 과제이다. 이는 기술의 신뢰성과 안전성을 평가하고, 서로 다른 공급업체의 장비 간 통신을 가능하게 하며, 법적 및 정책적 기반을 마련하는 데 목적이 있다.

표준화 작업은 주로 국제표준화기구와 국제전기통신연합 같은 국제 기구를 중심으로 진행된다. 주요 표준화 영역은 다음과 같다.

규제 측면에서는 양자 키 분배를 통신 서비스의 일종으로 보아 기존 전기통신 법령을 적용할지, 아니면 새로운 암호 장비 규제의 범주에 넣을지에 대한 논의가 진행 중이다. 특히 국가 안보와 직결된 정부 및 금융 분야의 사용을 위해서는 국가별로 승인 및 검증 절차를 마련해야 한다. 또한, 양자 키 분배 서비스 제공자에게 요구되는 기술적 요건, 개인정보 보호 책임, 그리고 양자 키 분배 네트워크를 통한 데이터跨境 이동에 대한 규정 등 법적·정책적 프레임워크가 정립되어야 한다. 이러한 표준과 규제는 기술의 빠른 상용화를 촉진하면서도 사용자 보호와 시스템의 안전한 운영을 위한 초석이 된다.