빛의 물리적 구조에 정보를 숨기는 광통신 보안 기법, 시뮬레이션으로 검증

연구 배경: 양자컴퓨팅 시대의 암호 취약성

현재 통신 보안의 주류는 수학적 알고리즘에 기반한 암호화다. 그러나 양자컴퓨팅 성능이 향상되면 이러한 알고리즘 기반 암호체계가 무력화될 수 있다는 우려가 학계와 산업계 전반에 퍼져 있다. 벤-구리온 대학교 전기·컴퓨터공학부의 Judith Kupferman 박사와 Shlomi Arnon 교수 연구팀은 암호화 이전 단계, 즉 신호 전송 과정 자체에서 보안을 확보하는 방향으로 접근했다.

핵심 원리: 빛의 구조 안에 정보 내재화

연구팀이 채택한 매개체는 '완전 시공간 광학 소용돌이(Perfect Spatiotemporal Optical Vortex, PSTOV)'다. 이 특수하게 성형된 광펄스는 위상(topological charge) 구조에 데이터를 인코딩하되, 일반적인 세기(intensity)나 빔 크기 측정으로는 해당 정보가 드러나지 않도록 설계된다. 제3자가 신호를 가로채더라도 균일한 빔으로만 보이며 데이터를 추출하기 어렵다는 것이 핵심이다.

수신 측(Bob)은 송신 측(Alice)과 정밀하게 동기화된 로컬 레이저를 사용해 간섭계를 통해 PSTOV 빔을 분석하고, 사전에 공유된 키 정보를 바탕으로 원래 데이터를 복원한다. 시스템 구성상 Alice 쪽은 초단펄스 레이저, 공간광변조기(SLM)가 포함된 4f 펄스 성형기, 빔 확장·추적 광학계로 이뤄지며, Bob 쪽은 집광 렌즈, 공간 필터, 간섭계, CCD 카메라로 구성된다.

이중 보안 구조: 알고리즘적 협조 방식 추가

광 구조 기반 은닉에 더해, 연구팀은 알고리즘적 협조 방식을 보조 보안 층으로 도입했다. 송수신자가 사전에 실제 데이터와 다수의 디코이 신호 배치를 합의함으로써, 신호 패턴을 알더라도 어느 위치에 유효한 정보가 있는지 알 수 없게 만드는 구조다. 시뮬레이션 결과 빔 크기나 세기의 변화 없이 안정적인 데이터 전송이 가능했으며, 잡음 환경에서도 일정 수준의 견고성이 확인됐다. 또한 다양한 신호 패턴을 활용할 수 있어 보안성과 데이터 용량을 동시에 높일 여지가 있다고 연구팀은 밝혔다.

현재 한계 및 향후 과제

연구팀 스스로 명시하듯, 이번 성과는 이론·시뮬레이션 단계의 프레임워크다. 실제 대기 환경에서의 난류·흡수·산란 등 현실적 장애 요인에 대한 검증은 아직 이뤄지지 않았다. 자유공간 광통신에서 빔 추적과 정밀 동기화를 유지하는 것은 실용화 단계에서 해결해야 할 핵심 기술 과제로 남는다. 향후 실험적 실증과 대기 채널 성능 평가가 후속 연구의 방향이 될 것으로 보인다.