ICT/융합

중국과기대, 최초로 새로운 원거리 양자암호키분배 프로토콜 제안

발행일 : 2019 / 06 / 18

최근, 중국과기대 궈광찬(郭光燦) 연구팀은 최초로 위상 무관성 후선택(Postselection) 기반 쌍필드(TF) 양자암호키분배(QKD) 프로토콜을 이론적으로 제안함으로써 무중계(Without relay) 장거리 도시 간 양자암호키분배 네트워크 구축에 중요한 한걸음을 내디디었다. 해당 이론 및 실험성과는 “Applied Physics Reviews” 및 “Physical Review X”에 각각 게재됐다.

QKD는 무조건 보안 비밀통신의 가능성을 열어주었지만 실제 QKD 시스템은 채널 소모의 제한으로 암호키 생성률이 채널 길이의 증가에 따라 뚜렷하게 감소된다. 검증에 의하면 암호키 생성률은 채널 전송 효율의 감소에 따라 선형 감소된다. 2018년 영국 과학자가 쌍필드 QKD 프로토콜을 제안했다. 해당 프로토콜을 기반으로 단일 광자 응답을 이용하여 암호키를 생성할 수 있으며 해당 암호키 생성률은 채널 효율의 제곱근 감소에 따라 감소된다. 장거리 채널 상황에서 해당 암호키 생성률은 뚜렷한 장점을 가지지만 해당 코딩 모델의 위상 랜덤화 및 후선택은 시스템 암호키 생성률을 뚜렷하게 감소시키기에 구현 복잡도를 증가시킨다.

연구팀은 새로운 TF-QKD 프로토콜을 제안함과 아울러 안전성을 입증했다. 새로운 프로토콜의 코딩 모델은 위상 랜덤화 및 후선택이 필요 없기에 프로토콜 효율을 뚜렷하게 향상시킴과 아울러 구현 복잡도를 감소시킬 수 있다. 뿐만 아니라 짧은 채널 길이 조건에서 선형 한계를 극복함으로써 암호키 생성률을 뚜렷하게 향상시켰다. 연구팀은 최초로 광학적 위상 로크 루프(Optical phase lock loop) 및 피드백 제어 방안을 파악했고 2세대의 독립 레이저 간 안정성 1차 간섭을 달성했으며 코히렌트 광필드 제조 기술 어려움을 해결했다. 연구팀은 또한 원거리 광섬유 채널 쾌속 위상 보상 제어 기술을 설계·구현함으로써 150Km의 1차 광학적 간섭을 획득했다. 최종적으로 300Km 광섬유 채널에서 TF-QKD 원리 검증 시스템을 구현함으로써 암호키 생성률이 2kbps에 달하여 선형 한계를 극복했다. 해당 암호키 생성률은 선형 한계의 약 3배이다.

동 성과는 무중계 조건에서 원거리, 도시 간 높은 암호키 생성률 전송 및 네트워킹의 가능성을 입증했으며 양자 중계가 단시일 내에 실용화되기 어려운 상황에서 광범위, 원거리 양자 비밀통신 네트워크에 응용될 전망이다.