우주에서 미니 위성으로 양자 암호화 (3) "마이크로위성이 양자 암호화를 발전시키는 방법"
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2025-05-21 23:12:25
3분 읽기
- 첫 번째 단계는 포획된 광자의 편광을 측정하는 것
- 위성을 신뢰하는 한 지구상 어느 지점과든 안전하게 통신할 수 있다.
- 이러한 연결은 중간 노드에서 가로챌 수 있는 정보가 없기 때문에 매우 안전할 것
- 이것이 현실이 되기까지는 아직 수많은 과제를 극복해야
2024년 10월 중순, 드디어 때가 왔다. 소형 양자 위성 QUBE와의 통신이 구축되었다. 이후 추가 시험이 진행될 예정이며, 여기에는 후속 양자 실험의 전제 조건인 QUBE를 우주 공간에 정밀하게 정렬하는 능력도 포함된다. 이를 위해 위성은 소형 카메라를 사용하여 별을 촬영한 후 데이터베이스와 비교하여 위성의 위치를 파악한다.
정보 운반체로서의 편광
겨울철, 뮌헨 LMU의 하랄트 바인푸르터와 그의 팀은 양자 키 전송을 위해 설계된 양자 모듈을 시험하고 있었다. "예를 들어, 모든 구성 요소의 제어 및 전원 공급이 가능한지 확인하고 있다." 2025년 봄, 연구팀은 첫 번째 양자 실험을 시작할 예정이다. 이때는 날씨가 이미 안정적이고 하늘이 더 맑은 시기다.
하지만 맑은 날씨에도 궤도에서 전송된 광자는 지상 직경 150m의 원형 영역에 대략적으로 분포한다. 지금까지 사용된 광학 장치로는 더 정밀한 조준이 불가능하기 때문이다. "펄스당 약 50개의 광자로 시작할 것이다. 아마 10개만으로도 가능할 것이다." 그런 후에야 그중 하나가 가끔 망원경에 도달한다. "첫 번째 단계는 포획된 광자의 편광을 측정하는 것이다"고 바인푸르터는 말했다.
앨리스, 밥, 그리고 올바른 기저
두 번째 단계에서 연구팀은 양자 역학적 키 교환을 시뮬레이션하려고 한다. 물리학자들이 말하듯이, 이를 위해서는 편광 상태의 전송과 측정이 모두 특정 기저 하에서 이루어져야 한다. 일반적으로 앨리스라고 불리는 송신자는 전송된 각 광자에 대해 두 개의 기저 중 하나를 무작위로 선택한다. 수신자인 밥도 두 개의 기저 중 하나에서 측정한다. 앨리스가 선택한 기저는 그 후에야 밥에게 전달된다. 동일한 기저 하에서 측정된 광자만이 키에 대한 정보를 포함한다.
기저 교환은 공개적으로 이루어질 수도 있는데, 이러한 후속 정보는 더 이상 도청자에게 도움이 되지 않기 때문이다. 그들은 두 기지 설정 모두에 측정값을 사용해야 했기 때문에 전송에 오류가 발생했다. 이는 앨리스와 밥에게 도청 공격이 발생했음을 알리는 신호가 된다. 오류율을 기반으로 가로채기된 정보의 비율까지 파악할 수 있다.
QUBE에서 QUBE II로
모든 것이 계획대로 진행된다면, 이 임무는 사용된 구성 요소가 양자 키 교환에 적합함을 보여줄 것이다. 바인푸르터의 동료인 루카스 크닙스가 이끄는 후속 임무인 QUBE II는 더욱 정밀한 표적 지정을 가능하게 하는 향상된 광학 장치를 사용할 것이다. 이를 통해 개별 광자를 실제로 전송하고 감지할 수 있게 될 것이다. "키는 후속 임무에서만 진정으로 교환될 수 있다는 것은 항상 분명했다.“
크닙스는 이를 위해 키 교환을 제어하는 새로운 위성용 추가 프로세서 보드를 개발하고 있다. QUIBE-II가 양자 신호를 송수신하는 데 사용하는 망원경의 구경 또한 더 커질 것이다. 또한, 지상국에서 미니 위성으로의 광 업링크가 처음으로 구축될 예정이다. DLR은 "양자 키 생성의 정확한 순서를 정의하는 QKD 프로토콜을 위해서는 높은 데이터 전송 속도를 가진 양방향의 고전적인 광 통신 링크가 필요하기 때문에 이는 필수적이다"고 설명했다. 계획된 QUBE-II 위성은 두 배 더 클 것이며 이미 건설 중이다.
독일 상공의 양자 위성 네트워크
미래에 우주를 통해 양자 키를 전송할 수 있게 된다고 가정해 보자. 그렇다면 실제로 통신은 어떤 모습일까? 바인푸르터는 "예를 들어, 위성은 오버파펜호펜과 키를 교환할 수 있다. 그런 다음 지구 궤도를 계속 돌면서 지구상의 다른 어느 위치와도 키를 교환할 수 있다"고 설명했다. "이렇게 하면 위성을 신뢰하는 한 지구상 어느 지점과든 안전하게 통신할 수 있다.“
이 시스템은 키 공유에 관한 것이다. 암호화된 데이터는 기존 인프라를 통해 계속 교환되고 최종 장치에서 복호화된다. 장기적인 목표는 성공적인 시험 후 양자 위성의 산업 생산을 시작하는 것이다. 프로젝트 완료 후 불과 몇 년 안에 10~20개의 초소형 위성과 다수의 지상국으로 구성된 독일 및 유럽 전역의 네트워크 구축이 가능해질 것이다. 장기적으로는 이 네트워크를 수백 개의 초소형 위성으로 확장하여 전 세계에 배치할 수 있다.
"더 나아가 지구상에 얽힌 양자계 네트워크를 구축하는 것이 될 것이다"고 바인푸르터는 말한다. "이러한 연결은 중간 노드에서 가로챌 수 있는 정보가 없기 때문에 매우 안전할 것이다." 그러나 이것이 현실이 되기까지는 아직 수많은 과제를 극복해야 한다. 선구적인 작업은 바로 이런 방식이다. (끝)
- 첫 번째 단계는 포획된 광자의 편광을 측정하는 것
- 위성을 신뢰하는 한 지구상 어느 지점과든 안전하게 통신할 수 있다.
- 이러한 연결은 중간 노드에서 가로챌 수 있는 정보가 없기 때문에 매우 안전할 것
- 이것이 현실이 되기까지는 아직 수많은 과제를 극복해야
QUBE, QUBE II, 그리고 미래
독일 양자 위성 네트워크 구축을 향한 여정2024년 10월 중순, 드디어 때가 왔다. 소형 양자 위성 QUBE와의 통신이 구축되었다. 이후 추가 시험이 진행될 예정이며, 여기에는 후속 양자 실험의 전제 조건인 QUBE를 우주 공간에 정밀하게 정렬하는 능력도 포함된다. 이를 위해 위성은 소형 카메라를 사용하여 별을 촬영한 후 데이터베이스와 비교하여 위성의 위치를 파악한다.
정보 운반체로서의 편광
겨울철, 뮌헨 LMU의 하랄트 바인푸르터와 그의 팀은 양자 키 전송을 위해 설계된 양자 모듈을 시험하고 있었다. "예를 들어, 모든 구성 요소의 제어 및 전원 공급이 가능한지 확인하고 있다." 2025년 봄, 연구팀은 첫 번째 양자 실험을 시작할 예정이다. 이때는 날씨가 이미 안정적이고 하늘이 더 맑은 시기다.
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| ▲ 양자 전송이 제대로 작동하려면 미니 위성의 정확한 정렬이 필수적이다. 실험실에서 진행된 해당 테스트 중 발사 전 모습입니다. © Center for Telematics, Würzburg |
하지만 맑은 날씨에도 궤도에서 전송된 광자는 지상 직경 150m의 원형 영역에 대략적으로 분포한다. 지금까지 사용된 광학 장치로는 더 정밀한 조준이 불가능하기 때문이다. "펄스당 약 50개의 광자로 시작할 것이다. 아마 10개만으로도 가능할 것이다." 그런 후에야 그중 하나가 가끔 망원경에 도달한다. "첫 번째 단계는 포획된 광자의 편광을 측정하는 것이다"고 바인푸르터는 말했다.
앨리스, 밥, 그리고 올바른 기저
두 번째 단계에서 연구팀은 양자 역학적 키 교환을 시뮬레이션하려고 한다. 물리학자들이 말하듯이, 이를 위해서는 편광 상태의 전송과 측정이 모두 특정 기저 하에서 이루어져야 한다. 일반적으로 앨리스라고 불리는 송신자는 전송된 각 광자에 대해 두 개의 기저 중 하나를 무작위로 선택한다. 수신자인 밥도 두 개의 기저 중 하나에서 측정한다. 앨리스가 선택한 기저는 그 후에야 밥에게 전달된다. 동일한 기저 하에서 측정된 광자만이 키에 대한 정보를 포함한다.
기저 교환은 공개적으로 이루어질 수도 있는데, 이러한 후속 정보는 더 이상 도청자에게 도움이 되지 않기 때문이다. 그들은 두 기지 설정 모두에 측정값을 사용해야 했기 때문에 전송에 오류가 발생했다. 이는 앨리스와 밥에게 도청 공격이 발생했음을 알리는 신호가 된다. 오류율을 기반으로 가로채기된 정보의 비율까지 파악할 수 있다.
QUBE에서 QUBE II로
모든 것이 계획대로 진행된다면, 이 임무는 사용된 구성 요소가 양자 키 교환에 적합함을 보여줄 것이다. 바인푸르터의 동료인 루카스 크닙스가 이끄는 후속 임무인 QUBE II는 더욱 정밀한 표적 지정을 가능하게 하는 향상된 광학 장치를 사용할 것이다. 이를 통해 개별 광자를 실제로 전송하고 감지할 수 있게 될 것이다. "키는 후속 임무에서만 진정으로 교환될 수 있다는 것은 항상 분명했다.“
크닙스는 이를 위해 키 교환을 제어하는 새로운 위성용 추가 프로세서 보드를 개발하고 있다. QUIBE-II가 양자 신호를 송수신하는 데 사용하는 망원경의 구경 또한 더 커질 것이다. 또한, 지상국에서 미니 위성으로의 광 업링크가 처음으로 구축될 예정이다. DLR은 "양자 키 생성의 정확한 순서를 정의하는 QKD 프로토콜을 위해서는 높은 데이터 전송 속도를 가진 양방향의 고전적인 광 통신 링크가 필요하기 때문에 이는 필수적이다"고 설명했다. 계획된 QUBE-II 위성은 두 배 더 클 것이며 이미 건설 중이다.
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| ▲ QUBE II를 위해 Harald Weinfurter와 그의 동료 Lukas Knips는 양자 키 교환을 위한 새로운 프로세서 보드를 개발했다. © Christoph Hohmann / LMU / MCQST |
독일 상공의 양자 위성 네트워크
미래에 우주를 통해 양자 키를 전송할 수 있게 된다고 가정해 보자. 그렇다면 실제로 통신은 어떤 모습일까? 바인푸르터는 "예를 들어, 위성은 오버파펜호펜과 키를 교환할 수 있다. 그런 다음 지구 궤도를 계속 돌면서 지구상의 다른 어느 위치와도 키를 교환할 수 있다"고 설명했다. "이렇게 하면 위성을 신뢰하는 한 지구상 어느 지점과든 안전하게 통신할 수 있다.“
이 시스템은 키 공유에 관한 것이다. 암호화된 데이터는 기존 인프라를 통해 계속 교환되고 최종 장치에서 복호화된다. 장기적인 목표는 성공적인 시험 후 양자 위성의 산업 생산을 시작하는 것이다. 프로젝트 완료 후 불과 몇 년 안에 10~20개의 초소형 위성과 다수의 지상국으로 구성된 독일 및 유럽 전역의 네트워크 구축이 가능해질 것이다. 장기적으로는 이 네트워크를 수백 개의 초소형 위성으로 확장하여 전 세계에 배치할 수 있다.
"더 나아가 지구상에 얽힌 양자계 네트워크를 구축하는 것이 될 것이다"고 바인푸르터는 말한다. "이러한 연결은 중간 노드에서 가로챌 수 있는 정보가 없기 때문에 매우 안전할 것이다." 그러나 이것이 현실이 되기까지는 아직 수많은 과제를 극복해야 한다. 선구적인 작업은 바로 이런 방식이다. (끝)
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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