중국이 2016년 쏘아올린 세계 최초 양자통신 위성 ‘묵자호’. photo 유튜브
중국이 양자통신에서 세계 최장거리의 기록을 경신했다. 소형화된 위성을 통해 해킹이나 도청이 불가능하다는 양자통신 기술을 약 1만2900㎞에 걸쳐 구현하는 데 성공, 그 성과를 국제학술지 ‘네이처’에 발표했다. 이렇게 장거리 양자통신 기록을 세운 주인공은 중국과학원(CAS) 중국과학기술대의 판젠웨이 교수 연구팀이다.
앞서 2016년 8월 중국은 세계 최초의 양자통신 위성 ‘묵자(墨子)호’를 발사해 베이징 지상국과 1200㎞ 떨어진 다른 지상국 간의 양자통신에 성공한 바 있다. 이후 통신 거리와 시간이 점차 늘어나 2018년 1월에는 중국 허베이성 싱룽 기지국과 오스트리아 빈 그라츠 지상국 사이의 7600㎞를 묵자호로 연결해 75분간 화상회의를 진행하는 데 성공하기도 했다.
다만 묵자호는 비용이 높아서 전 세계를 커버할 수 없다는 단점이 있다. 이런 단점을 소형화 위성으로 극복하며 중국은 전 세계에 양자통신 기술력을 계속 과시하고 있다. 중국의 장거리 양자통신 기술은 보안 체계에 새로운 패러다임을 가져올 전망이다.
지난 3월 19일 판젠웨이 교수가 이끄는 연구팀은 초소형 양자통신 위성인 ‘지난(Jinan)-1’을 활용해 베이징에서 남아프리카공화국 케이프타운까지 약 1만2900㎞ 떨어진 지역 간에 양자 암호화된 이미지를 안전하게 전송하는 데 성공했다. 베이징 시내 건물 옥상에 설치된 송신 지상국에서 지난-1, 그리고 지난-1과 남아공 케이프타운 스텔렌보스대 기지국 수신 장치 사이에 양자암호가 연동된 것이다.
양자 장거리 통신 핵심 주역인 초소형 위성 지난-1. photo 유튜브
‘양자 키 분배’ 기술로 1만2900㎞ 거리 통신
이후 베이징 기지국의 명령에 따라 지난-1 위성은 스텔렌보스대의 수신 장치에 암호화된 사진 파일의 양자 정보를 전송했다. 즉 양자 상태로 만든 레이저 광 펄스를 전송한 것이다. 암호화된 이미지는 중국의 만리장성과 스텔렌보스대 캠퍼스의 모습이 담겼고, 이 양자 정보는 순식간에 안전하게 전달됐다. 송신자와 수신자는 지난-1을 매개체로 ‘암호키’를 공유했다.
양자암호통신으로도 불리는 양자통신은 양자역학의 원리(순간 상태가 변한다는 불확정성 원리)를 이용해 생성된 암호키를 전달하는 방식의 통신 기술이다. 복제가 불가능한 양자의 특성을 이용해 송신자와 수신자만이 해독할 수 있는 암호키를 만들어 저장하고, 그 키를 송·수신자가 나눠 가지는 것이다. 이를 ‘양자 키 분배(Quantum Key Distribution·QKD)’라고 하는데, 이 기술이 양자통신의 핵심이다. 송신자는 레이저 광 펄스를 ‘0과 1(큐비트·양자컴퓨터에서 정보를 처리하고 저장하는 단위)’의 양자 중첩 상태로 설정해 전송한다.
‘양자 키 분배’가 가능해지려면 우선 얽힌 광자를 만들어야 한다. 양자역학의 아주 독특한 현상 중 하나는 양자 상태의 ‘얽힘’이다. 양자 인터넷에서 큐비트 상태로 저장된 정보는 양자 얽힘이라는 현상 덕분에 먼 거리까지 즉시 전송될 수 있다. 이는 얽힘 상태에 있는 두 입자(양자)가 하나의 정보를 실시간으로 공유하는 현상 때문인데, 각 입자의 양자 상태는 아무리 멀리 떨어져 있어도 서로 즉각적으로 영향을 준다.
예를 들어 빛 입자인 광자를 이용해 편광 정보를 나눠 갖도록 얽힘을 구현하고 한쪽을 관측해 편광을 바꾸면 다른 쪽 역시 편광이 바뀌는 식이다. 따라서 양자 전송은 한 위치에서 다른 위치로 양자의 ‘상태’를 전송한다.
양자 암호는 무작위 난수로 생성되고 한 번밖에 읽을 수 없다. 그 때문에 이를 공유하는 송신자와 수신자 외에는 암호화된 정보를 읽을 수 없다. 누군가 중간에서 정보를 빼내려고 하면 그 순간 양자 상태, 즉 데이터가 변해버리니까 도청과 해킹이 불가능해진다. 이게 바로 ‘양자 키 분배’의 큰 매력이다.
중국에서 양자통신이라는 개념을 널리 알린 사람은 바로 판젠웨이 교수다. ‘중국 양자의 아버지’라고 불리는 그는 2003년 양자 연구를 위해서는 양자 암호를 실은 인공위성을 쏘는 것이 가장 중요하다고 판단했다. 위성을 활용한 무선 양자통신은 우주공간을 통하기 때문에 지상 광섬유를 사용하는 유선 양자통신보다 효율이 높다.
전문가들은 양자통신의 끝은 무선이라고 말한다. 유선은 전쟁터 같은 작전 지역에서는 활용하기 어려워서다. 중국과 일본, 미국 등에서 무선 양자통신 기술에 뛰어든 이유다.
연구팀의 이번 장거리 양자통신 핵심 주역은 초소형 위성 지난-1이다. 지난-1은 주요 기술인 장거리 양자 키 분배와 소형화를 시험하기 위한 위성이다. 연구팀은 위성 여러 대를 운용할 수 있도록 지난-1을 마이크로(초소형) 위성으로 개발했다. 무게는 기존 위성인 묵자호보다 10배 가벼운 23㎏, 비용은 45분의1에 불과하다.
‘중국 양자의 아버지’로 평가받는 판젠웨이 교수. photo SCMP
최종 목표는 양자판 스타링크 구축
연구팀은 지상 기지국 시스템도 경량화했다. 기존의 양자통신 기지국 시스템 1만3000㎏의 무게를 100㎏으로 크게 줄였다. 대규모 인프라가 필요했던 기존 시스템과 비교해 휴대형 장비로 소형화하는 데 성공한 셈이다. 무게가 가벼운 만큼 도시는 물론 산악과 고원 등지에 빠르게 배치할 수 있다. 이론적으로는 이동식 양자통신도 구축할 수 있다. 연구팀은 자신들의 시스템이 우주정거장에도 쉽게 적용 가능하다고 강조한다.
또 이번 실험에서 지난-1은 107만비트(bit)의 암호키를 생성해 성능도 높였다. 단일 위성이 통과시킨 암호키 중 역대 최대 규모라는 게 연구팀의 설명이다. 묵자호에 비해 광원 주파수도 6배 증강됐다. 양자 키 생성 속도 역시 대폭 높아졌다. 지난-1은 초당 평균 2억5000만개의 신호 광자를 송신했다.
연구팀은 2026년 중국 통신사(차이나텔레콤)와 협력해 4기의 마이크로 위성을 추가로 개발해 발사할 계획이다. 양자통신 위성 추가 발사는 양자 중계 기술의 발전을 통해 향후 5~6년 안에 양자통신 네트워크 상용화를 이루기 위한 과정이다. 즉 양자판 스타링크 구축이다. 양자 중계 기술은 양자 신호를 장거리로 전송하기 위해 중간 지점에서 신호를 증폭하거나 재생하는 기술이다.
현재 세계의 정부나 군사시설, 대형 금융기관에서는 광섬유를 통해 ‘양자 키 분배’ 기술을 활용하고 있다. 하지만 신호 광자가 광섬유를 통과하면서 손실되는 문제가 있어 장거리 양자통신에는 한계가 따른다. 통신거리에 한계가 있는 지상망 대신 위성망을 통해 대륙 간 연결에 나서겠다는 게 연구팀의 목표다. 만약 ‘양자 키 분배’ 네트워크가 구축된다면, 서울에 있는 사람이 뉴욕에 있는 사람과 안전한 통신을 할 수 있게 된다. 그야말로 완전 혁명이다.
출처 : 주간조선 / 김형자 과학칼럼니스트 (https://weekly.chosun.com/news/articleView.html?idxno=40709)
중국이 양자통신에서 세계 최장거리의 기록을 경신했다. 소형화된 위성을 통해 해킹이나 도청이 불가능하다는 양자통신 기술을 약 1만2900㎞에 걸쳐 구현하는 데 성공, 그 성과를 국제학술지 ‘네이처’에 발표했다. 이렇게 장거리 양자통신 기록을 세운 주인공은 중국과학원(CAS) 중국과학기술대의 판젠웨이 교수 연구팀이다.
앞서 2016년 8월 중국은 세계 최초의 양자통신 위성 ‘묵자(墨子)호’를 발사해 베이징 지상국과 1200㎞ 떨어진 다른 지상국 간의 양자통신에 성공한 바 있다. 이후 통신 거리와 시간이 점차 늘어나 2018년 1월에는 중국 허베이성 싱룽 기지국과 오스트리아 빈 그라츠 지상국 사이의 7600㎞를 묵자호로 연결해 75분간 화상회의를 진행하는 데 성공하기도 했다.
다만 묵자호는 비용이 높아서 전 세계를 커버할 수 없다는 단점이 있다. 이런 단점을 소형화 위성으로 극복하며 중국은 전 세계에 양자통신 기술력을 계속 과시하고 있다. 중국의 장거리 양자통신 기술은 보안 체계에 새로운 패러다임을 가져올 전망이다.
지난 3월 19일 판젠웨이 교수가 이끄는 연구팀은 초소형 양자통신 위성인 ‘지난(Jinan)-1’을 활용해 베이징에서 남아프리카공화국 케이프타운까지 약 1만2900㎞ 떨어진 지역 간에 양자 암호화된 이미지를 안전하게 전송하는 데 성공했다. 베이징 시내 건물 옥상에 설치된 송신 지상국에서 지난-1, 그리고 지난-1과 남아공 케이프타운 스텔렌보스대 기지국 수신 장치 사이에 양자암호가 연동된 것이다.
‘양자 키 분배’ 기술로 1만2900㎞ 거리 통신
이후 베이징 기지국의 명령에 따라 지난-1 위성은 스텔렌보스대의 수신 장치에 암호화된 사진 파일의 양자 정보를 전송했다. 즉 양자 상태로 만든 레이저 광 펄스를 전송한 것이다. 암호화된 이미지는 중국의 만리장성과 스텔렌보스대 캠퍼스의 모습이 담겼고, 이 양자 정보는 순식간에 안전하게 전달됐다. 송신자와 수신자는 지난-1을 매개체로 ‘암호키’를 공유했다.
양자암호통신으로도 불리는 양자통신은 양자역학의 원리(순간 상태가 변한다는 불확정성 원리)를 이용해 생성된 암호키를 전달하는 방식의 통신 기술이다. 복제가 불가능한 양자의 특성을 이용해 송신자와 수신자만이 해독할 수 있는 암호키를 만들어 저장하고, 그 키를 송·수신자가 나눠 가지는 것이다. 이를 ‘양자 키 분배(Quantum Key Distribution·QKD)’라고 하는데, 이 기술이 양자통신의 핵심이다. 송신자는 레이저 광 펄스를 ‘0과 1(큐비트·양자컴퓨터에서 정보를 처리하고 저장하는 단위)’의 양자 중첩 상태로 설정해 전송한다.
‘양자 키 분배’가 가능해지려면 우선 얽힌 광자를 만들어야 한다. 양자역학의 아주 독특한 현상 중 하나는 양자 상태의 ‘얽힘’이다. 양자 인터넷에서 큐비트 상태로 저장된 정보는 양자 얽힘이라는 현상 덕분에 먼 거리까지 즉시 전송될 수 있다. 이는 얽힘 상태에 있는 두 입자(양자)가 하나의 정보를 실시간으로 공유하는 현상 때문인데, 각 입자의 양자 상태는 아무리 멀리 떨어져 있어도 서로 즉각적으로 영향을 준다.
예를 들어 빛 입자인 광자를 이용해 편광 정보를 나눠 갖도록 얽힘을 구현하고 한쪽을 관측해 편광을 바꾸면 다른 쪽 역시 편광이 바뀌는 식이다. 따라서 양자 전송은 한 위치에서 다른 위치로 양자의 ‘상태’를 전송한다.
양자 암호는 무작위 난수로 생성되고 한 번밖에 읽을 수 없다. 그 때문에 이를 공유하는 송신자와 수신자 외에는 암호화된 정보를 읽을 수 없다. 누군가 중간에서 정보를 빼내려고 하면 그 순간 양자 상태, 즉 데이터가 변해버리니까 도청과 해킹이 불가능해진다. 이게 바로 ‘양자 키 분배’의 큰 매력이다.
중국에서 양자통신이라는 개념을 널리 알린 사람은 바로 판젠웨이 교수다. ‘중국 양자의 아버지’라고 불리는 그는 2003년 양자 연구를 위해서는 양자 암호를 실은 인공위성을 쏘는 것이 가장 중요하다고 판단했다. 위성을 활용한 무선 양자통신은 우주공간을 통하기 때문에 지상 광섬유를 사용하는 유선 양자통신보다 효율이 높다.
전문가들은 양자통신의 끝은 무선이라고 말한다. 유선은 전쟁터 같은 작전 지역에서는 활용하기 어려워서다. 중국과 일본, 미국 등에서 무선 양자통신 기술에 뛰어든 이유다.
연구팀의 이번 장거리 양자통신 핵심 주역은 초소형 위성 지난-1이다. 지난-1은 주요 기술인 장거리 양자 키 분배와 소형화를 시험하기 위한 위성이다. 연구팀은 위성 여러 대를 운용할 수 있도록 지난-1을 마이크로(초소형) 위성으로 개발했다. 무게는 기존 위성인 묵자호보다 10배 가벼운 23㎏, 비용은 45분의1에 불과하다.
최종 목표는 양자판 스타링크 구축
연구팀은 지상 기지국 시스템도 경량화했다. 기존의 양자통신 기지국 시스템 1만3000㎏의 무게를 100㎏으로 크게 줄였다. 대규모 인프라가 필요했던 기존 시스템과 비교해 휴대형 장비로 소형화하는 데 성공한 셈이다. 무게가 가벼운 만큼 도시는 물론 산악과 고원 등지에 빠르게 배치할 수 있다. 이론적으로는 이동식 양자통신도 구축할 수 있다. 연구팀은 자신들의 시스템이 우주정거장에도 쉽게 적용 가능하다고 강조한다.
또 이번 실험에서 지난-1은 107만비트(bit)의 암호키를 생성해 성능도 높였다. 단일 위성이 통과시킨 암호키 중 역대 최대 규모라는 게 연구팀의 설명이다. 묵자호에 비해 광원 주파수도 6배 증강됐다. 양자 키 생성 속도 역시 대폭 높아졌다. 지난-1은 초당 평균 2억5000만개의 신호 광자를 송신했다.
연구팀은 2026년 중국 통신사(차이나텔레콤)와 협력해 4기의 마이크로 위성을 추가로 개발해 발사할 계획이다. 양자통신 위성 추가 발사는 양자 중계 기술의 발전을 통해 향후 5~6년 안에 양자통신 네트워크 상용화를 이루기 위한 과정이다. 즉 양자판 스타링크 구축이다. 양자 중계 기술은 양자 신호를 장거리로 전송하기 위해 중간 지점에서 신호를 증폭하거나 재생하는 기술이다.
현재 세계의 정부나 군사시설, 대형 금융기관에서는 광섬유를 통해 ‘양자 키 분배’ 기술을 활용하고 있다. 하지만 신호 광자가 광섬유를 통과하면서 손실되는 문제가 있어 장거리 양자통신에는 한계가 따른다. 통신거리에 한계가 있는 지상망 대신 위성망을 통해 대륙 간 연결에 나서겠다는 게 연구팀의 목표다. 만약 ‘양자 키 분배’ 네트워크가 구축된다면, 서울에 있는 사람이 뉴욕에 있는 사람과 안전한 통신을 할 수 있게 된다. 그야말로 완전 혁명이다.
출처 : 주간조선 / 김형자 과학칼럼니스트 (https://weekly.chosun.com/news/articleView.html?idxno=40709)