단일 광선으로 23채널 동시 양자키 분배…이스라엘 연구진 대역폭 병목 돌파

병목은 광원이 아닌 검출기에 있었다

기존 양자 통신 시스템에서 광원 자체는 광학 스펙트럼 전반에 걸쳐 넓은 대역폭을 활용할 수 있는 능력을 이미 갖추고 있다. 그러나 표준 검출기는 이 중 극히 일부 대역만 측정할 수 있어, 가용 용량의 대부분이 실질적으로 낭비되어 왔다. 바르일란 대학교 Avi Pe'er 교수 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 자체 개발한 '파라메트릭 호모다인 검출(parametric homodyne detection)' 기법을 더욱 발전시켜, 다수의 주파수 채널에서 양자 얽힘을 동시에 검출하는 방법을 구현했다.

광대역 압축광과 스펙트럼 성형의 결합

연구팀은 광대역 압축광(broadband squeezed light), 스펙트럼 성형(spectral shaping), 파라메트릭 호모다인 검출의 세 가지 기술을 결합해 여러 양자 채널을 병렬로 생성·조작·측정하는 데 성공했다. 핵심 실증 실험에서는 23개의 독립적인 스펙트럼 채널 각각에서 CV-QKD를 동시에 수행하고, 채널별로 도청 여부를 독립적으로 탐지할 수 있음을 확인했다. 아울러 다중화 양자 순간이동(multiplexed quantum teleportation)도 함께 시연됐다.

처리량의 수십 배 확장 가능성

이번 연구가 시사하는 핵심은 채널을 순차적으로 처리하던 기존 방식에서 벗어나, 광학 스펙트럼 전체에 걸쳐 다수의 채널을 병렬로 운용할 수 있다는 점이다. 연구팀은 이 방식이 원리적으로 수천 개 채널 규모까지 확장 가능하다고 밝혔으며, 이는 양자 프로토콜의 전체 처리량을 현재 대비 수 자릿수(orders of magnitude) 수준으로 끌어올릴 잠재력을 의미한다.

기술적 한계와 남은 과제

이번 연구는 개념 증명(proof-of-principle) 단계로, 실험실 환경에서의 시연에 해당한다. 23채널 동시 운용이 실제 광섬유 네트워크 환경에서 어느 수준의 거리와 잡음 조건을 견딜 수 있는지, 채널 수를 수천 개로 늘릴 때의 공학적 복잡도가 어떻게 관리되는지는 후속 연구에서 검증이 필요하다. 파라메트릭 호모다인 검출 장치의 실용화 비용과 집적화 가능성도 상용화 전에 해결해야 할 과제다.

양자 네트워크 확장성에 주는 함의

양자 통신의 현실적 확장을 가로막는 가장 큰 장벽 중 하나는 단위 채널당 키 생성 속도의 한계였다. 이번 연구는 기존 광원 인프라를 교체하지 않고 검출 방식을 바꾸는 것만으로 병렬 처리를 구현했다는 점에서, 네트워크 업그레이드 경로로서의 실용성을 주목할 만하다. 논문은 제1저자 Alon Eldan 등이 작성했으며 DOI 10.1126/sciadv.adw5085로 확인할 수 있다.