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빛은 어두운 세상을 밝히기도, 추운 곳에 온기를 더해주기도 하지만,
중요한 정보를 빠르고 정확하게 전달하는 통신에 쓰이기도 한다.
광통신 분야에 매력을 느껴 연구를 시작했지만 이와 유사하면서도 다른
양자 통신의 등장에 새로운 도전을 시작했던 윤천주 본부장.
그 시간이 벌써 10년이 넘게 흘렀다.
그에게 양자 통신의 가장 큰 매력이 무엇인지 물었다.
그는 도청이 불가능한, 세상에서 가장 안전한 기술이라고 답했다.

‘측정 보호(MP)’이론을 세계 최초로 정립하고 검증하셨습니다. 이 기술에 관해 설명해주세요.

측정 보호 이론은 KAIST 배준우 교수님께서 정립하셨고 우리 ETRI는 이것을 실험적으로 검증했어요. 양자 상태를 장거리로 전송할 때는 채널 환경에 의해 노이즈가 발생하는데요. 이때 양자 상태에 변화가 일어날 수 있어요. 이런 경우 수신자는 최적의 양자 상태를 측정하기 위해서 환경 상태에 따라 측정을 다시 해야 하죠.

이때 측정 보호 기법은 송신자와 수신자가 잡음이 있는 환경에서도 최적의 양자 상태를 측정할 수 있도록 도와요. 이 기법은 간단한 국부 연산(Local Operation)만으로도 가능한데요. 처음 한 번만 설정하면 된다는 장점이 있어요. 한 번 설정된 측정 장치만으로 잡음이 있는 환경에서도 최적의 양자 상태를 측정할 수 있다는 것을 실험적으로 보인 것이죠.

측정 보호 이론을 실험적으로 검증하기 위한 측정 보호 기반의 양자키분배 실험 셋업

양자키분배 기술 실용화의 핵심 과제인 ‘편광 의존 손실’ 문제¹⁾에 대한 실질적인 해결책도 제시하셨죠.

무선 환경에서 송신자와 수신자가 이동하면 송신자에서 보는 기준과 수신자에서 측정하는 기준 프레임이 변화할 수 있는데요, 이런 경우 기준 프레임에 맞게 측정할 수 있도록 수신부에서 양자 편광 상태 보상을 해 줘야돼요. 이것을 ‘기준 프레임 무관 양자암호 프로토콜’이라고 부르죠.

우리는 이런 기준 프레임이 변화하는 환경에서도 기준 프레임 보상이 필요 없는 프로토콜의 무선 양자 송신부와 수신부를 만들었어요. 주목할 점은 이 송신부와 수신부의 크기에요. 손바닥 크기보다 작거든요. 소형의 광집적화 모듈로 제작해 성능을 검증했고, 아울러 이 과정에서 발생할 수 있는 편광 의존 손실의 영향을 함께 보고했어요.
1) 편광 의존 손실(Polarization Dependent Loss) 문제: 광소자의 입력 편광에 따라 삽입 손실이 달라지는 현상

편광 의존 손실의 보정 유무에 따른 양자키분배 성능을 확인하기 위한 실험 셋업

두 기술의 필요성에 대해 말씀해 주세요.

측정 보호 기술은 채널 특성에 따라서 수신부의 구성을 매번 바꾸지 않아도 돼요. 한 번의 세팅 조건으로 측정 최적성이 보존되기 때문이죠. 이 특징은 양자 통신에서 비용을 줄일 뿐 아니라 효율적으로 측정 및 시스템을 구성할 수 있게 해줘요.

소형 기준 프레임 무관 양자 암호 프로토콜용 송신부 및 수신부 광집적화 모듈은 적은 비용만으로도 제작할 수 있어요. 게다가 손바닥보다 작은 소형으로 제작할 수 있죠. 우리가 제작한 모듈은 세계 최초로 선보이는 소형 크기에요. 현재 연구되고 있는 모듈 크기는 거대하기 때문에 크기를 줄이면 장점이 있거든요. 드론, 스마트 자동차 등의 이동 환경에서도 사용될 수 있고요. 그렇게 된다면 미래 양자 통신에 응용할 수 있을 뿐만 아니라 상용화에 활용성이 매우 높을 것으로 기대하고 있어요.

소형화된 광집적 모듈 기기 사진

이 두 기술은 어떤 분야에서, 어떻게 상용화될 것으로 예상하시나요?

측정 보호 기술은 채널 환경이 잡음 등에 의해 변할 수 있는 장거리 무선 양자 통신, 구름 및 산란 등에 의해 영향이 있는 채널의 무선 양자 통신에 응용될 수 있을 것으로 예상해요. 또한 응용할 수 있는 범위가 확대된다면 잡음이 추가돼 성능 저하가 일어날 수 있는 양자컴퓨팅이나 양자 센서 분야까지에도 응용될 수 있을 것으로 기대하고 있어요.

소형 기준 프레임 무관 양자암호통신 송신부 및 수신부 광집적화 모듈 기술은 무선 국방, 드론, 스마트 자동차, 선박 등의 이동 환경에서 무선 양자 통신 기술로 활용될 수 있어요. 더 나아가서 초장거리 위성 양자암호통신 기술에도 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있고요.

(왼쪽) 유선 양자키분배 집적화 모듈 예상 조감도  /  (오른쪽) 무선 양자키분배 집적화 모듈 상용 예상 조감도

연구하면서 가장 기억에 남았던 것은 무엇인지 궁금합니다.

오늘 같이 말씀 나눴던 기술도 기억에 오래 남을 것 같아요. 세계 최초로 CFP2급²⁾의 유선 양자암호통신 송신부 및 수신부 광집적화 모듈 기술을 선보였다는 것, 무선 양자암호통신 송신부 광집적화 모듈 기술을 개발한 것 말이죠. 이 외에도 최초로 2005년도에 25km 유선 양자암호통신 실시간 테스트베드 시스템을 구성해 시연을 수행했었던 기억도 생생해요. 2016년도에는 최초로 무선 양자암호통신 편광부호화 집적화칩 기술을, 2018년도에는 태양광이 있는 낮 실 환경에서도 무선 양자암호통신이 가능한 것을 보여 준 기술을 선보이기도 했었는데요, 모두 뿌듯했던 기억들이에요.
2) 82mm(폭) x 36mm(높이) x 102mm(깊이)

앞으로 더 보완해야 할 부분이 있을까요?

차차 찾아나가야 할 부분이에요. 측정 보호 기술은 실험실 밖의 실 환경에서도 가능한지를 실험하는 기술이에요. 소형 기준 프레임 무선 양자암호통신 송신부 및 수신부 광집적화 모듈 기술은 이것을 바탕으로 시스템 구성해 상용화를 가능하게 만들어주는 역할을 하죠. 앞으로 광집적화 모듈 기술을 실제 이동환경에서 테스트해 보면서 어떤 문제들이 발생하는지 측정하고, 보완해서 상용화에 더 가까워지도록 힘쓸 예정입니다.

앞으로의 연구 계획과 박사님의 비전을 말씀해 주세요.

양자암호통신 기술은 상용화 장비가 있지만 아주 고가여서 아직 산업적으로 사용되고 있지 못 한 상황이에요. 소형 유선 양자암호통신 광집적화 모듈 기술을 아주 저가로 구현할 수 있는 기술을 개발해 산업화에 앞장서고 싶어요.

소형 무선 양자암호통신 송신부 및 수신부 광집적화 모듈 기술은 드론, 선박 등 여러 이동환경에서 무선 양자 통신 기술로 확장할 뿐 아니라, 더 나아가서 향후 위성 양자 통신 기술로 응용을 확대하는 것이 목표예요. 더불어 양자 인터넷과 글로벌 양자 통신 기술 실현을 비전으로 삼아 양자통신의 양자메모리, 양자 중계기 기술 개발을 위해 힘쓰고 싶어요.