파도바대·ThinkQuantum, 18km 자유공간 QKD 실증…상온 검출기로 200 bps 보안키 생성

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.