2018.01.20 00:30
세계 최초의 양자통신위성인 중국의 ‘묵자(墨子·Micius)’호가 중국 베이징 인근에서 약 7600㎞ 거리의 오스트리아 비엔나까지 양자로 암호화된 사진 파일을 안전하게 주고받는 데 성공했다. - 중국과학원 제공
중국이 또 한 번 양자통신에서 세계 최장거리 기록을 경신했다. 세계 최초의 양자통신위성인 중국의 ‘묵자(墨子·Micius)’호가 중국 베이징 인근에서 약 7600㎞ 거리의 오스트리아 비엔나까지 양자로 암호화된 사진 파일을 안전하게 주고받는 데 성공했다. 지난해 6월 묵자호가 1200㎞ 떨어진 지상의 두 지점 간에 양자정보를 순간이동 시키는 실험에 성공한 지 반년 여 만에 얻은 성과다.
판 젠웨이 중국과학원(CAS) 중국과학기술대 교수팀은 오스트리아 비엔나대, 오스트리아과학원 등과 함께 묵자호의 성능과 실용 가능성을 글로벌 규모에서 입증했다고 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’ 19일자에 발표했다. 중국에서 ‘양자역학의 아버지’로 불리는 판 교수는 묵자호를 직접 개발한 주인공으로 지난해 과학저널 ‘사이언스’가 선정한 ‘2017년 과학계 화제의 인물 10인’에 다섯 번째로 꼽힌 바 있다.
양자통신은 에너지의 최소 단위인 단일 광자(光子), 즉 양자(量子)의 물리적인 특성을 활용해 정보를 암호화해 전달하는 방식이다. 양자암호는 무작위 난수로 생성되고 한 번밖에 읽을 수 없기 때문에 이를 공유하는 송신자와 수신자 외에는 암호화된 정보를 읽을 수 없다. 특히 외부에서 도청 시도가 있을 경우에는 양자 상태가 흐트러져 바로 발각됨과 동시에 정보를 읽을 수 없게 된다. 이런 특징 덕분에 양자통신은 복제와 감청이 원천적으로 불가능한 차세대 통신 기술, 국방·안보 핵심기술로 꼽힌다.
● 사진·동영상 양자암호로 장거리 전송…베이징~상하이 잇는 최장거리 유선 양자통신망도 구축
묵자호는 먼저 베이징에 인접한 싱룽 지상 기지국과 오스트리아 비엔나 남부에 있는 그라츠 기지국에 양자암호 키를 분배했다. 싱룽 기지국과 묵자호, 묵자호와 그라츠 기지국 사이에 양자암호가 연동된 것이다. 이후 싱룽 기지국의 명령에 따라 묵자호는 그라츠 기지국으로 암호화된 사진 파일 등 양자정보를 전송했다. 직선거리로만 7600㎞ 떨어진 거리지만 사진은 순식간에 안전하게 전달됐다.
연구진이 베이징에서 비엔나로 보낸 사진은 춘추전국시대 철학자인 묵자의 초상화로 용량이 5.34KB였다. 반대로 비엔나 오스트리아과학원에서는 양자역학의 불확적성 원리를 발견한 오스트리아의 이론물리학자 슈레딩거의 사진(4.9KB)을 보냈다. 묵자호는 128비트의 양자암호 키를 1초마다 무작위로 바꾸는 방식으로 베이징과 비엔나 간 온라인 비디오 컨퍼런스를 중계하기도 했다. 당시 75분간 묵자호는 총 2GB의 데이터를 주고 받았다.
양자통신위성을 통한 무선 양자통신 과정을 나타낸 모식도. 양자암호는 무작위 난수로 생성되고 한 번밖에 읽을 수 없기 때문에 이를 공유하는 송신자와 수신자 외에는 암호화된 정보를 읽을 수 없다. 외부에서 도청 시도가 있을 경우에는 양자 상태가 흐트러져 바로 발각됨과 동시에 정보를 읽을 수 없게 된다. - 중국과학원 제공
판 교수팀은 최근 세계에서 가장 긴 유선 양자통신 시설도 구축했다. 베이징에서 지난, 허페이 등 32곳을 통과해 상하이까지 연결된다. 광섬유의 길이는 2000㎞에 이른다. 현재 중국과학원은 정부와 은행, 보안업체, 보험회사 등과 함께 이 시설을 활용한 양자통신 서비스를 시험 중이다. 다만 광섬유를 사용하는 유선 양자통신은 물리적으로 광섬유를 설치하는 데 한계가 있는 데다 거리가 멀어질수록 광자(양자)의 손실이 생긴다.
반면 위성을 활용한 무선 양자통신은 우주공간을 통하기 때문에 손실이나 결잃음 같은 문제가 없고 위성의 이동성을 활용할 수도 있다. 판 교수는 “같은 거리여도 유선보다 무선이 더 안정적인 것으로 나타났다”며 “이번 연구 결과로 양자인터넷을 실현할 최장거리의 글로벌 양자 네트워크를 구현하는 효율적인 방법을 제안했다”고 밝혔다.
● 유럽, 2019년 양자통신위성 ‘유텔샛 퀀텀’ 발사…한국은 용인~수원 간 유선 양자통신 성공
한편 양자통신위성의 다음 주자는 유럽의 위성통신업체인 유텔샛(Eutelsat)이 될 전망이다. 유텔샛은 오는 2019년 민간기업 최초로 양자통신위성 ‘유텔샛 퀀텀’을 발사한다. 제작은 에어버스 디팬스앤스페이스가 하고, 발사는 미국 스페이스X의 우주발사체를 활용할 예정이다. 유텔샛은 향후 2개의 양자통신위성을 추가 발사해 양자인터넷 서비스를 안정적으로 구현하겠다는 계획이다.
국내의 경우 양자통신 기술은 아직 걸음마 단계다. SKT가 지난해 6월 용인~수원 간 왕복 112㎞(편도 56㎞) 거리의 유선 양자통신에 성공한 것이 실질적으로 얻은 유일한 성과다. 특히 무선 양자통신은 지상에서 거리를 늘려 가며 시험한 뒤 위성을 쏘아 올려 우주에서 실험해야 하는데 국내에선 시도조차 하지 못하고 있다. 지상시험을 할 만한 장소를 찾기 어렵고 비용도 만만치 않기 때문이다.
하지만 전문가들은 향후 기술 종속을 막기 위해서라도 무선 양자통신 기술 개발에 뛰어들어야 한다고 지적한다. 지난해 12월 한국전자통신연구원(ETRI)은 무선 양자통신의 송·수신에 필요한 핵심 부품을 ㎝ 단위로 소형화 하는 데 성공했다. 이 부품은 초당 1억 개의 광자를 무선으로 보낼 수 있다. 일본은 2020년까지 유선 양자통신을 상용화 하고, 2040년까지 위성을 이용한 무선 양자통신 기술을 확보할 계획이다.
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- 송경은 기자kyungeun@donga.com
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