파도바대·ThinkQuantum, 18km 자유공간 QKD 실증…상온 검출기로 200 bps 보안키 생성
원제: University of Padova and ThinkQuantum Demonstrate 18-km Intermodal Free-Space QKD with Room-Temperature Detectors
이탈리아 파도바대학교, ThinkQuantum s.r.l., 이탈리아 국립연구위원회(CNR-IFN) 공동 연구팀이 18km 수평 자유공간 링크와 0.5km 광섬유 구간을 결합한 인터모달 양자키분배(QKD) 실증 결과를 국제 학술지 npj Quantum Information에 발표했다. 상온 단일광자 검출기 조건에서 초당 200비트의 보안키 생성률을 확인한 것이 특징이다.
저자: Mohamed Abdel-Kareem

실험 구성: 산악 송신기에서 도심 광학지상국까지
실험은 몬테그란데(Monte Grande) 원격 광학 송신기와 파도바대학교 캠퍼스 내 광학지상국(OGS) 사이를 18km 자유공간 수평 링크로 연결하는 방식으로 구성됐다. 자유공간 구간을 통과한 양자 신호는 이후 0.5km 길이의 기존 배치 광섬유 망을 거쳐 수신 실험실까지 전달됐다. 수신 망원경은 구경 41cm의 리치-크레티앙(Ritchey-Chrétien) 설계를 채택했으며, 정렬용 1545nm 비콘 및 850nm 정렬 신호가 함께 다중화 운용됐다.
핵심 기술: 64액추에이터 적응광학으로 대기 왜곡 극복
도심 장거리 자유공간 링크에서는 대기 난류로 인한 파면 왜곡이 심각하며, 이를 그대로 단일모드 광섬유(SMF)에 결합하면 삽입 손실이 급증한다. 이번 실험에서 채널 감쇠는 약 29~30 dB 수준으로 측정됐다. 연구팀은 64액추에이터 이중압전 변형거울과 Shack-Hartmann 파면 센서를 결합한 고차 적응광학(AO) 시스템을 구축해 제르니케(Zernike) 모드 기준 35차까지의 공간 수차를 실시간 보정했다. 그 결과 단일모드 광섬유 결합 효율은 최대 19%(-7.2 dB)에 도달했으며, 중간에 신뢰되지 않은 측정 과정을 거치지 않고 자유공간 양자 신호를 표준 통신 광섬유에 직접 결합할 수 있었다. 실험 중 취득한 파면 센서 데이터는 프리드 파라미터(r0) 및 결합 효율을 예측하는 이론 모델을 검증하는 데도 활용됐다.
검출기 비교: 상온 InGaAs 대 극저온 SNSPD
QKD 하드웨어로는 ThinkQuantum의 QUKY 플랫폼이 사용됐으며, 3상태 1-디코이 효율 BB84 프로토콜이 C-밴드 1565.5nm 통신 파장에서 구동됐다. 상온에서 동작하는 InGaAs 단일광자 애벌런치 다이오드(SPAD, 검출 효율 15%)를 장착한 조건에서는 양자비트오류율(QBER) 약 2%로 초당 약 200비트의 보안키 생성률(SKR)을 달성했다. 동일 시스템에 초전도 나노와이어 단일광자 검출기(SNSPD, 효율 80%)를 결합했을 때는 평균 SKR이 약 1 kbit/s로 상승하고 QBER은 1% 미만으로 낮아졌다. 두 조건의 비교는 검출기 기술 선택이 실용 QKD 성능에 미치는 영향을 정량적으로 보여준다.
의미와 한계: EuroQCI·위성 연동 가능성과 남은 과제
인터모달 아키텍처와 프로토콜 독립적 설계는 유럽 양자통신 인프라(EuroQCI) 로드맵 및 유럽우주국(ESA)의 위성-지상 광링크 임무인 Eagle-1, SAGA와의 연계 가능성을 염두에 둔 것이다. 다만 현재 구현에서는 상온 검출기 기준 SKR이 200 bps에 그쳐, 실제 통신 네트워크에 통합하려면 키 생성 속도를 수 kbps 이상으로 높이는 과제가 남는다. 또한 수평 18km는 저궤도 위성-지상 링크의 기하학적 조건과 상이하므로, 앙각 의존 채널 손실 및 도플러 효과에 대한 추가 검증이 필요하다.
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