비동기 측정-장치-독립 방식으로 3자 양자 회의키 분배 실험 구현

연구 배경: 다자간 양자 통신의 과제

양자 키 분배(QKD)는 두 사용자 사이의 보안 통신에 있어 물리 법칙에 기반한 안전성을 제공한다. 이를 셋 이상의 사용자로 확장하는 기술인 양자 암호 회의(QCC)는 다수가 참여하는 그룹 통신 보호에 필수적이다. 그러나 기존의 측정-장치-독립(MDI) 방식 QCC는 다광자 동시 검출 사건(coincidence event)을 키 생성의 근거로 삼기 때문에, 전송 손실이 커지거나 참여자가 늘어날수록 해당 사건의 발생 빈도가 급격히 줄어드는 구조적 한계를 안고 있었다.

핵심 기술: 비동기 단일 광자 검출 쌍 구성

이번 연구의 핵심은 서로 다른 시간에 기록된 단일 광자 검출 사건들을 데이터 처리 단계에서 사후적으로 짝지어 키 생성에 활용하는 비동기 방식을 채택한 데 있다. 이 방식은 젱빙 천(Zeng-Bing Chen) 교수와 화레이 인(Hua-Lei Yin) 그룹이 이론으로 제안한 프로토콜에 기반한다.

기존 MDI 회의 프로토콜에서 N명의 사용자 네트워크 키 생성률은 단일 채널 투과율 η의 N승(η^N)에 비례하는 반면, 비동기 방식에서는 η에 비례하는 수준으로 개선된다. 즉, 사용자 수가 늘어도 손실 지수가 더 이상 함께 증가하지 않아 확장성 면에서 근본적인 이점을 갖는다.

실험 구성은 3명의 사용자가 각자 독립적으로 광 펄스를 공유된 GHZ 측정 노드에 전송하고, 광섬유 기반 다경로 간섭계에서 신호 간 간섭 및 단일 광자 검출이 이루어지는 형태다. 측정 노드가 공개 발표한 검출 결과와 각 사용자의 인코딩 정보를 결합해 공유 비밀 키가 생성된다. 측정 장치에 대한 신뢰 없이도 보안이 유지되는 측정-장치-독립 설계 덕분에, 검출 장비를 노리는 공격에 대한 취약성이 원천적으로 제거된다.

손실 성능: 59.6 dB 달성

연구팀은 총 시스템 손실 약 59.6 dB 조건에서 보안 키 생성에 성공했다. 이는 동일 연구팀이 편광 인코딩 MDI 양자 회의 실험에서 기록한 약 21.5 dB와 비교해 현저하게 향상된 수치다. 최대 손실 조건에서 확보된 키 생성률은 펄스당 약 4.470 × 10⁻⁹ 비트 수준이다. 이 결과는 장거리 다자간 양자 통신의 실현 가능성을 높이는 중요한 근거가 된다.

위상 잠금 없는 구현: 시분할 다중화와 FFT 활용

독립 레이저를 사용할 경우 레이저 간 주파수 차이와 광섬유 간섭계의 위상 드리프트가 간섭 품질과 키 생성에 영향을 미칠 수 있다. 연구팀은 시분할 다중화(TDM) 방식으로 인코딩한 기준 광 펄스와 고속 푸리에 변환(FFT)을 결합해, 레이저 간 주파수 차이와 다경로 간섭계의 위상 드리프트를 추정하고 이를 데이터 후처리 단계에서 보정하는 방법을 채택했다. 이를 통해 복잡한 위상 잠금(phase locking) 장치 없이도 프로토콜 운용이 가능함을 실증했다.

의미와 한계

이번 실험은 비동기 방식이 다자간 양자 통신의 손실 확장성 문제를 실질적으로 해소할 수 있음을 보여주는 첫 실험적 증거다. 다만 현재 성과는 실험실 내 개념 검증 수준에 머물러 있다. 도심 간 광섬유망으로의 전개를 위해서는 집적화된 광원·변조기·검출기의 기술 성숙도 향상이 추가적으로 요구된다. 또한 키 생성률 자체는 여전히 낮아 실용적 응용을 위한 추가 개선이 과제로 남는다.