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[2642호] 2021.01.18
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[과학]해킹·도청 걱정 끝! 미국 제친 중국의 양자암호통신

김형자  과학칼럼니스트 bluesky-pub@hanmail.net 2021-01-20 오전 10:57:16

▲ 중국의 양자통신 위성 ‘묵자’. photo sciencemag.org
중국이 양자암호통신에서 또 한 번의 기록을 경신했다. 해킹이나 도청이 불가능하다는 양자암호통신 기술을 총 4600㎞에 걸쳐 구현하는 데 성공, 그 성과를 국제학술지 ‘네이처’(2021년 1월 6일 자)에 발표했다. 중국과학원(CAS) 중국과학기술대 판젠웨이 교수팀이 그 주인공이다. 이들은 유선 2000㎞, 무선 2600㎞ 양자암호통신에 성공했다.
   
   
   2000㎞ 유선 양자암호통신 성공
   
   2017년 9월 29일, 중국은 세계에서 가장 긴 유선 양자통신망 구축을 완성했다. 베이징에서 산둥성 지난과 안후이성 허페이를 거쳐 상하이를 연결하는 2000㎞ 거리의 세계 최장 양자통신망이다. 세계에서 2000㎞ 구간의 유선 양자통신망을 연결한 건 중국이 처음이다. 이를 통해 베이징에서 상하이까지 해킹의 위협 없이 유선 신호를 주고받는 데 성공했다. 또 동시에 2016년 쏘아 올린 양자통신 위성 ‘묵자(墨子·무쯔)’를 이용해 싱룽과 난산을 잇는 2600㎞ 거리의 두 도시 간 무선 양자암호통신에도 성공했다. 이로써 중국은 양자암호통신 분야에서 세계적 우위를 차지하게 되었다.
   
   한국과학기술연구원(KIST) 양자정보연구 한상욱 단장은 지난 1월 9일 이번 중국의 유·무선 양자암호통신 성공은 지금까지 중국이 개발해온 유·무선 양자암호통신 기술을 집대성하는 성과를 거둔 것이라며 양자암호통신의 뛰어난 보안성을 실제로 입증했다고 평가하고 있다.
   
   양자암호통신은 양자역학의 특성을 이용해 생성된 암호키를 전달하는 방식의 통신기술이다. 복제가 불가능한 양자(量子·Quantum)의 특성을 이용해 송신자와 수신자만이 해독할 수 있는 암호키를 만들어 저장하고 그 키를 송수신자가 나눠 가지는 것이다. 이를 ‘양자키 분배’라고 하는데, 이 과정이 양자암호통신의 핵심 절차(프로토콜)다.
   
   양자키 분배가 가능해지려면 우선 얽힌 광자를 만들어야 한다. 양자역학의 아주 독특한 현상 중 하나는 양자 상태의 ‘얽힘’이다. 양자 인터넷에서 큐비트 상태로 저장된 정보는 양자 얽힘이라는 현상 덕분에 먼 거리까지 즉시 전송될 수 있다. 이는 얽힘 상태에 있는 두 입자(양자)가 하나의 정보를 실시간으로 공유하는 현상 때문인데, 각 입자의 양자 상태는 아무리 멀리 떨어져 있어도 서로 즉각적으로 영향을 준다. 예를 들어 빛 입자인 광자를 이용해 편광 정보를 나눠 갖도록 얽힘을 구현하고 한쪽을 관측해 편광을 바꾸면 다른 쪽 역시 편광이 바뀌는 식이다. 따라서 양자 전송은 한 위치에서 다른 위치로 양자의 ‘상태’를 전송한다.
   
   양자 암호는 무작위 난수로 생성되고 한 번밖에 읽을 수 없다. 그 때문에 이를 공유하는 송신자와 수신자 외에는 암호화된 정보를 읽을 수 없다. 특히 외부에서 도청 시도가 있을 경우에는 양자 상태가 흐트러져 바로 발각됨과 동시에 정보를 읽을 수 없게 된다. 이런 특징 덕분에 도청과 해킹 등이 원천적으로 불가능해 차세대 통신기술이자 국방·안보의 핵심기술로 꼽힌다.
   
   중국에서 양자통신이라는 개념을 널리 알린 사람은 바로 판젠웨이 교수다. ‘중국 양자의 아버지’라고 불릴 정도로 그와 양자통신은 떼려야 뗄 수 없는 관계이다. 그는 1997년 오스트리아 빈대학에 유학해 세계적 양자역학 권위자인 안톤 자일링거 교수에게 배우고, 당시 네덜란드 학자와 협력해 광자를 원격 전송하는 데 성공했다. 중국은 2001년 그가 귀국하면서 양자 연구의 실마리를 찾기 시작했다.
   
   판젠웨이 교수는 2003년 양자 연구를 위해서는 양자암호를 실은 인공위성을 쏘는 것이 가장 중요하다고 판단했다. 위성을 활용한 무선 양자통신은 우주공간을 통하기 때문에 지상 광섬유를 사용하는 유선 양자통신보다 효율이 훨씬 높다. 전문가들은 양자암호통신의 끝은 무선이라고 말한다. 유선 상태에서 매우 유용한 기술이지만 전쟁터 같은 작전 지역에서는 활용하기 어려워서다. 중국과 일본, 미국 등에서 무선 양자암호통신 기술에 뛰어든 이유다.
   
   중국은 2016년 8월 16일, 마침내 세계 최초의 양자통신 위성 ‘묵자’를 창정2D 로켓에 실어 쏘아 올렸다. 판젠웨이 교수는 묵자 위성을 직접 개발한 주인공으로 과학저널 ‘사이언스’가 선정한 ‘2017년 과학계 화제의 인물 10인’에 다섯 번째로 꼽힌 바 있다.
   
   
   대륙 간 무선에 유선 통신까지 기술력 입증
   
   묵자의 연구 성과는 2017년부터 실감됐다. 그해 6월 16일, 지상 500㎞ 궤도에서 묵자는 매초 800만쌍의 광자를 만들어 칭하이성 더링하 지상기지와 윈난성 리장 기지에 전송했는데, 그중 한 쌍이 수신에 성공했다. 두 기지는 1203㎞ 떨어져 있었지만 얽힘 상태의 양자정보를 동시에 수신했다. 이를 통해 양자 얽힘이 가능한 거리가 1200㎞를 넘을 수 있다는 사실이 처음으로 증명되었다. 하지만 이때는 겨우 신호만 주고받는 수준이어서 실제 양자암호통신에 사용할 만큼 송수신 효율이 높지 않았다.
   
   대륙 간 무선 양자통신에도 성공했다. 2018년 1월 묵자 위성은 수도 베이징에 인접한 싱룽 지상 기지국과 오스트리아 빈 근교 그라츠 기지국에 양자 암호키를 분배했다. 싱룽 기지국과 묵자, 묵자와 그라츠 기지국 사이에 양자암호가 연동된 것이다. 이후 싱룽 기지국의 명령에 따라 묵자 위성은 그라츠 기지국으로 암호화된 사진 파일 등 양자정보를 전송했다. 직선거리로만 7600㎞ 떨어진 거리지만 순식간에 안전하게 전달됐다. 또 묵자 위성은 양자 암호키를 1초마다 무작위로 바꾸는 방식으로 75분 동안 싱룽 기지국과 그라츠 기지국 간의 화상회의를 중계하기도 했다. 이는 지금까지 대륙 간 통신에 성공한 최장 기록으로, 이때 묵자 위성은 총 2GB의 데이터를 주고받았다.
   
   한편 지난해 6월에는 높은 효율의 무선 양자암호통신이 이뤄졌다. 묵자 위성을 이용해 광자 쌍을 만들고, 두 광자 사이에 양자역학적 관계를 부여하는 얽힘을 구현한 뒤 1120㎞ 떨어진 지상의 두 기지국(난산과 더링하 사이) 간 송수신에 성공했다. 당시 실험에서는 광자 검출 효율이 이전보다 4배 높았고 오류율 또한 절반 가까이 낮아져 본격적으로 위성 양자암호통신을 할 수 있는 수준에 이르렀음이 증명되었다. 올해 성공한 2600㎞(싱룽과 난산 사이)의 무선 양자암호통신은 지난해에 비해 거리가 2배나 늘어났을 뿐 아니라 암호키의 평균 전송 속도도 40배 이상 빨라진 것으로 밝혀졌다.
   
   이처럼 중국은 장거리 무선 양자암호통신, 유선 양자암호통신, 대륙 간 무선 양자암호통신에 잇따라 성공하면서 단숨에 양자산업의 강자로 떠올랐다. 미사일 기술이나 우주 공간에서의 치열한 경쟁에 이어 통신 시스템에서 중국의 우위가 확립되면, 압도적 군사 우위를 유지해 온 미국의 지위가 흔들리게 될 것으로 보인다. 중국은 묵자 위성과 양자통신망을 연계해 본격적인 상용화를 추진하고 있다.
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