최근 ‘보안 시스템의 혁명’이라 일컬어지는 양자암호통신에 대한 연구경쟁이 치열하다. 국내 연구진이 무선 양자암호통신을 할 수 있는 핵심기술개발에 처음으로 성공, 해킹 없는 사회 실현을 위해 한 걸음 다가갔다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 무선 양자암호통신용 송·수신 핵심 부품 기술을 처음으로 개발했다고 밝혔다.

연구진이 개발에 성공한 송·수신 핵심부품은 양자암호통신을 하는데 있어 암호키를 무선 전송하는데 필요한 것이다. 그동안 미터(m)급 면적을 차지하는 벌크(bulk) 광학 부품들을 사용해 왔는데 새로운 집적화 방식을 적용하여 기존 대비 1/100 크기인 센티미터(cm)급 이하로 부품 소형화에 성공했다.

양자암호통신은 레이저 광원으로부터 나온 광자(光子)의 세기를 줄여 단일 광자 수준으로 만든 후 수신자에게 전송하여 암호키를 생성하게 된다. 광자의 편광 및 위상 양자 상태를 생성, 전송 및 검출하여 송·수신자에게 암호화된 키를 만들어주는 원리다. 따라서 중간에 해킹이나 도청을 하면 양자 상태가 변하게 되어 원칙적으로 해킹이나 도청이 불가능하다.

연구진은 초당 1억 번(100 MHz)의 빠르기로 광자를 하나씩 보냄으로써 양자 신호를 전송할 수 있는 무선양자통신 송·수신 핵심 부품 기술을 개발했다.

연구진은 광원과 편광 부품들로 편광 양자 상태를 만들어 전송하고 검출하는 송·수신 핵심부품 개발에 성공했다. 무선 양자암호통신용 송·수신 핵심부품으로서 4채널 광원, 4채널 편광 결합/분리 모듈, 4채널 단일광자검출기까지 부품 모듈로 구현하였다.

기존 양자암호통신에는 편광 상태를 결합해 주는 편광결합기, 빔 결합기, 반파장판 등 개별 부품 및 장치들이 송수신부에 들어가 부피가 미터(m)급으로 컸다. 하지만, ETRI는 큰 부품들의 기능을 반도체 공정을 통해 최초로 집적화 칩으로 구현하여 모듈화 하였다.

연구진이 개발에 성공한 송신부 핵심 편광 결합 칩의 크기는 40mm x 2mm수준으로 기존 송신부를 구성하던 4개의 부품을 아주 작게 만들었다. ETRI는 여러 개의 편광상태를 만들 수 있는 집적화된 편광 모듈을 4개의 입력에 1개의 출력을 가지는 칩으로 만든 것이다.

현재 연구진이 만든 송수신 부품의 시스템 구동 속도는 100MHz로 세계적 수준이다.

또한, 기존 송·수신부품은 고가의 벌크 개별부품들을 여러 개 조합해야 하므로 가격이 비쌌다. 그리고 개별부품들을 정렬해야 하는 어려움이 있었으나, 이번 연구진이 개발한 부품은 이런 문제점을 해결했다. 따라서 안정성 확보, 대량생산, 저가화 등이 가능하여 양자통신 상용화에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

향후 연구진은 개발된 송·수신 핵심 부품을 이용하여 내년 초에 실제 환경에서 무선양자통신을 시연할 계획이다. 이를 통해 수백 kbps급의 암호키 전송률을 확인하고 퀀텀비트에러율을 세계적 수준을 뛰어넘는 5% 이내로 맞춘다는 방침이다.

ETRI는 향후 모듈 크기를 더 소형화 하는데 주력하고 집적화하며 또한 양자 암호키 생성 속도와 전송 거리를 개선할 계획이다.

ETRI 윤천주 광통신부품연구그룹 프로젝트 리더는“차량 내 및 차량 간 보안 통신, 모바일 단말 등 다양한 기기가 통신망에 연결될 사물인터넷(IoT) 시대에 보안이 완벽 보장되는 양자암호통신으로 민감한 정보 송·수신이 가능케 될 것이다”라고 말했다.

ETRI에서 개발한 무선 양자암호통신 부품은 향후 통신장비에 내장되어 암호화 장치로 활용될 것으로 보고 있다. 특히, 국가행정망 보안 네트워크나 보안 금융망, 군사기밀 암호전송, 데이터센터 기밀유지, 개인의료/정보 보안서비스, 차량해킹 방지 등에 유용할 것으로 전망된다.

ETRI는 이번에 개발된 기술을 바탕으로 고속 장거리 무선양자통신 기술, 차량이나 항공기 등 이동하는 물체에서 무조건적 보안통신이 가능토록 연구를 계속할 계획이다.

본 과제는 ETRI와 한국과학기술연구원(KIST)이 공동으로 참여해 이뤄진 융합과제이다. ETRI는 송·수신부 핵심 부품기술을 개발했고 KIST는 시스템 요소기술을 개발했다.

본 성과는 광학기술 분야 저명 학술지인‘옵티컬 익스프레스(Optical Express)’에 지난 7월말 게재되었다. 또한 최고 권위 학술대회인‘옵티컬 파이버 커뮤니케이션 컨퍼런스 2018‘(Optical Fiber Communication Conference 2018)’에 내년 3월 발표할 계획이다.