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- QUBE-II는 500km 이상의 거리에서 소형 위성과 지구 간에 양자 키 교환가능한 지 검증
- 2024년 8월 16일 오후 8시 56분(유럽 시간), QUBE를 실은 팰컨 9 로켓이 캘리포니아 반덴버그 우주군 기지에서 발사됐다.
- 위성이 지구 궤도를 돌기 때문에 통신 센터와의 무선 통신은 하루에 짧은 시간만 가능

궤도 양자 키: 양자 암호화 보조 장치로서의 소형 위성

궤도는 장거리 양자 키를 전송하기에 이상적이다. 지구 궤도에서 광자는 일반적으로 지구 수신국까지 명확한 경로를 갖는다. 따라서 위성을 통해 대륙 간 양자 전송도 가능할 수 있다. 중국은 2017년 궤도 양자 통신 실험에 최초로 성공했다.

큐브샛(CubeSat)으로도 가능할까?

독일의 연구팀들도 학제간 컨소시엄인 QUBE를 포함하여 위성을 통한 양자 전송 연구를 진행하고 있다. 루르츠부르크 대학교(LMU) 연구원 하랄트 바인푸르터(Harald Weinfurter)가 주도한 이 프로젝트에는 뷔르츠부르크의 텔레매틱스 센터(ZfT)와 뮌헨 루르츠부르크 대학교(LMU), 에를랑겐의 막스 플랑크 빛 과학 연구소, 그리고 독일 항공우주센터(DLR)가 참여하고 있다.

▲ 광학 양자 키를 전송하는 큐브샛. © Zentrum für Telematik, Würzburg

QUBE와 그 후속 프로젝트인 QUBE-II는 500km 이상의 거리에서 소형 위성과 지구 간에 양자 키를 교환할 수 있는지 검증하기 위한 것이다. 이 프로젝트에 사용되는 큐브샛(CubeSat)을 제조하는 위성 회사 OHB의 노르베르트 렘케(Norbert Lemke)는 "QUBE와 QUBE-II 프로젝트에서 개발된 하드웨어 구성 요소는 소형 위성을 사용하여 비용 효율적인 글로벌 양자 키 생성을 가능하게 할 것이다"고 설명했다.

궤도용 양자 모듈

이를 위해 뷔르츠부르크 텔레매틱스 센터(Würzburg Center for Telematics) 팀은 큐브샛 QUBE를 개발했다. 바인푸르터(Weinfurter)의 뮌헨팀은 이 소형 위성을 위해 복잡한 양자 모듈을 제작하여 제공했다. 이 모듈은 첨단 기술과 매우 작은 크기를 결합했다. 바인푸르터는 "4개의 레이저가 장착된 작은 회로 기판으로, 4개의 특정 양자 상태를 가진 광자를 생성할 수 있다"고 설명했다. 이 위성에는 지구에서 제어할 수 있는 소형 광학 망원경도 포함되어 있다.

정밀하게 조정 가능한 소형 거울은 광자를 오버파펜호펜에 있는 독일 항공우주센터(DLR) 지상국으로 정밀하게 보낼 수 있다. 그곳에서 반사 망원경이 광자를 포착하여 편광을 측정한다. 바인푸르터는 이 소형 거울이 위성에서 가장 민감한 부품 중 하나라고 말했다. "가장 중요한 부분은 발사다. 이때 진동이 가장 많이 발생하기 때문이다. 실제로 그 위에서는 꽤 조용하다"고 그는 설명했다.

▲ 이 모듈은 QUBE 소형 위성의 양자 전송을 위한 광자를 생성한다. © 독일 항공우주센터

하지만 다른 위험도 도사리고 있다. 우주 심층에서 발생하는 고에너지 방사선이 소형 위성의 민감한 전자 장치를 파괴할 수 있다는 것이다. 바인푸르터는 "그렇게 되면 메모리 칩이나 트랜지스터가 고장날 수 있다"고 말했다. 또한 우주 비행은 항상 이러한 위협에 직면한다. 물론 이러한 위험을 방지하기 위한 충분한 예방 조치가 취해졌다.

궤도 진입 성공

이 비전에 따르면, 실험이 계획대로 진행된다면 향후 이러한 양자 위성을 사용하여 안전한 통신을 위한 글로벌 네트워크를 구축할 수 있다. 하지만 그러기 위해서는 QUBE가 먼저 지구 궤도에 성공적으로 진입해야 했다. 뷔르츠부르크 발사 파티로 돌아가 보자. 행사장에 있던 모든 사람들이 라이브 스트리밍을 통해 이 소형 위성의 운명에 매료되었다. 2024년 8월 16일 오후 8시 56분(중부 유럽 시간), 그 순간이 왔다. QUBE를 실은 팰컨 9 로켓이 캘리포니아 반덴버그 우주군 기지에서 굉음을 내며 발사되었다.

2시간 후, QUBE는 약 500km 고도에서 발사되었다. 양자 위성과의 무선 통신이 연결되자 사람들의 안도감이 느껴졌다. 하지만 모두가 알고 있었다. 임무가 목표를 달성하기까지는 아직 갈 길이 멀다는 것을. 그 후 몇 주 동안 뷔르츠부르크 연구팀은 지상국과의 통신을 시험했다. 여기에는 예를 들어 "데이터 저장, 업데이트 설치, 배터리 확인"과 같은 특정 명령을 실행하는 것이 포함된다고 바인푸르터는 이렇게 말했다.

▲ SpaceX의 트랜스포터 11 임무의 일환으로 팰컨 9 로켓에 탑재된 QUBE 양자 위성 발사. © SpaceX

초기 테스트

"컴퓨터 부팅과 비슷하다고 생각하시면 된다. 다만, 하루에 몇 분 동안만 내장 컴퓨터에 접속할 수 있다는 점이 다르다"고 물리학자는 설명했다. 위성이 지구 궤도를 돌기 때문에 통신 센터와의 무선 통신은 하루에 짧은 시간 동안만 가능하기 때문이다. "실험 시간은 최대 5분이다." 하지만 아직은 그 정도 시간이 아니다. "다른 모든 것이 제대로 작동할 때까지는 구성 요소를 작동시키지 않을 것이다"고 바인푸르터는 설명했다.

발사 후 며칠 만에 첫 번째 지연이 발생했다. 위성이 마이크로파를 통해 전송하는 데이터 패킷의 30%만 수신됐다. 다행인 점은 "위성의 안테나가 펼쳐졌을 것이다. 그렇지 않으면 신호를 전혀 받을 수 없었을 것이다"고 바인푸르터는 말했다. 따라서 뷔르츠부르크의 동료들은 지구에서 문제를 찾고 있으며, 수신 안테나와 신호 증폭기의 정렬을 테스트하고 설정을 조정하고 있다. (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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