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- 양자역학 법칙을 이용하여 정보를 암호화한다는 아이디어는 1980년대로 거슬러 올라간다.
- 광섬유는 신호를 상당히 약화시킨다."50km마다 신호 강도가 10배씩 떨어진다.
- 현재 시판 중인 시스템은 일반적으로 약 70~100km 거리에만 적합하도록 설계
- QUBE 위성과 그 후속 위성인 QUBE II는 소형 위성을 통해 양자 키를 전송하는 새로운 암호화 시대를 열 예정

우주에서의 양자 암호화
마이크로위성이 양자 암호화를 발전시키는 방법

미래에는 소형 위성 네트워크가 궤도에서 양자 키를 전송함으로써 안전한 통신에 도움을 줄 수 있다. 독일 연구팀은 이미 이러한 큐브샛용(CubeSats) 양자 모듈을 개발하여 궤도에서 시험했다. 이 모든 것은 어떻게 작동할까? 그리고 어떤 용도로 사용될 수 있을까?

QUBE 위성과 그 후속 위성인 QUBE II는 소형 위성을 통해 양자 키를 전송하는 새로운 암호화 시대를 열 예정이다. 이 기술은 더 먼 거리에서도 양자 암호화를 가능하게 하지만, 대형 양자 위성보다 훨씬 저렴합니다. 뮌헨 루트비히 막시밀리안 대학교(LMU)의 물리학자들은 이러한 궤도 양자 모듈에 적합한 기술을 개발하고 시험했다. 이는 까다로운 임무의 시작에 관한 것이다 

▲ 독일의 연구 프로그램인 QUBE는 양자 암호화를 위해 미니 위성을 사용하는 것을 시험하고 있다. © DLR /CC-by-nc-nd 3.0

암호화 보조 장치로서의 양자; 양자 암호화의 중요성

2024년 8월 16일 금요일 저녁. 독일 뷔르츠부르크에 있는 텔레매틱스 센터(ZfT)의 시험장. 참석자들의 분위기는 기쁨과 긴장 사이를 오가고 있었다. 그 이유는 신발 상자만 한, 약 3.5kg의 소형 위성이 마침내 우주로의 여정을 시작하려 하고 있었기 때문이다. 수년간의 공들인 세부 작업을 거쳐 조립되었고, 풍부한 첨단 기술이 탑재되었다.

이것은 필요했다. 이 임무는 우주에서 양자 암호화를 이용한 안전한 통신을 위해 새롭게 개발된 구성 요소를 시험하는 것을 목표로 한다. 하지만 이를 위해서는 캘리포니아 반덴버그 공군 기지에서 SpaceX 로켓 발사가 먼저 성공해야 한다. 발사는 여러 차례 연기되었지만, 이날만큼은 거의 완벽한 조건이었다.

비밀 도청은 불가능

양자역학 법칙을 이용하여 정보를 암호화한다는 아이디어는 1980년대로 거슬러 올라간다. 그 기반은 양자역학적 상태, 예를 들어 광자의 편광(간단히 말해 진동 방향)이나 원자의 여기 상태다. LMU(Ludwig-Maximilians-Universität München, 뮌헨대) 실험 양자물리학과 교수이자 양자 암호학의 선구자인 하랄트 바인푸르터(Harald Weinfirter)는 "양자 키를 통해 정보를 얻으려는 도청자는 그 과정에서 양자 시스템의 상태를 변경하기 때문에 탐지될 수 있다"고 설명했다.

따라서 도청 공격으로부터 양자 통신을 보호하는 것은 물리 법칙에 기반한다. 하지만 기존 암호화 방식은 그렇지 않다. 현재 대부분의 인터넷 거래에서 생성되는 것과 같은 고전적인 키는 원칙적으로 양자 컴퓨터로 해독할 수 있다. 즉, 이 기술이 실제로 작동하게 된다면 오늘날 사용되는 암호화 방식의 상당 부분이 안전하지 않게 될 것다. 따라서 대책이 필요하다.

광섬유를 통한 양자 전송

따라서 물리학자들은 양자 정보를 장거리로 전송하는 방법을 오랫동안 연구해 왔다. 얽힌 광자는 일반적으로 광섬유 케이블을 통해 전송되는 송신 입자로 사용된다. 문제는 일반적인 통신 네트워크와 같은 조건에서도 민감한 양자 상태를 유지하는 것이다.

바인푸르터와 그의 팀은 이미 이 분야에서 초기 성공을 거두었다. 2022년에 그들은 LMU 캠퍼스 내 400미터 떨어진 실험실에 위치한 두 개의 루비듐 원자로 구성된 두 개의 얽힌 양자 시스템을 사용하여 키 교환이 가능함을 입증했다. 두 시스템은 대학 본관 앞 게슈비스터-숄 광장(Geschwister-Scholl Platz) 아래를 지나는 700m 길이의 광섬유 케이블을 통해 연결되었다.

그러나 광섬유는 신호를 상당히 약화시킨다. 바인푸르터는 "50km마다 신호 강도가 10배씩 떨어진다. 즉, 50km 후에는 신호의 10%만, 100km 후에는 1%만 받는 식으로 감소한다"고 설명했다. 따라서 현재 시판 중인 시스템은 일반적으로 약 70~100km 거리에만 적합하도록 설계되었다.

▲ 도시 대기를 통한 양자 전달 - 각 광자는 여러 비트의 정보를 전달한다. © 오타와 대학교

공중에서도 가능

하지만 더 많은 가능성이 있지 않을까? 이론적으로 광자는 공중에서 훨씬 더 먼 거리를 연결할 수 있다. 유럽 협력의 일환으로 바인푸르터 연구팀은 2007년 레이저를 사용하여 테네리페섬과 라팔마섬 사이 144km 거리에서 양자 키를 교환했다. 광자는 건조한 공기 중에서 구름층 위로 전송되었다.

2017년, 오타와 대학교 연구팀은 최초로 광자당 하나 이상의 양자비트를 포함하는 양자 데이터를 공중에서 전송하는 데 성공했다. 이 다중 비트 광자들은 오타와 시내 옥상 300미터 상공에서 레이저를 사용하여 교환되었다. 이러한 옥외 전송에는 맑은 하늘과 가능한 한 난류가 없는 대기가 필요하다. 그러나 이러한 조건은 거의 존재하지 않기 때문에 지구에서는 이러한 접근 방식이 실질적으로 제한적으로만 활용될 뿐이다. (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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