양자 보안 실험, 일반 통신망에 한 걸음 더 가까워져
중국 연구팀이 425킬로헤르츠의 잡음 내성을 갖춘 양자 키 분배를 구현하고, 기존 광통신과 함께 150km의 공용 광섬유를 통해 전송하는 실험을 진행했다. 이번 연구는 양자 보안망 구축의 현실적인 장애물, 즉 통신 장비가 전달하는 훨씬 강한 빛 신호와 마주쳐도 취약한 양자 신호를 사용할 수 있도록 유지하는 문제를 다룬다.
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중국과학기술대학의 궈광찬 원사가 이끈 연구팀은 허난성 양자정보·양자암호 핵심연구실, 난징우전대학과 공동으로 연구했다. 한정푸, 천웨이, 인전창, 왕솽 등이 참여했다.
미국물리학회가 2026년 9월 30일 발표한 연구팀의 피지컬 리뷰 레터스 논문은 반복 주파수 2.5기가헤르츠로 작동하는 시스템을 설명한다. 논문은 잡음 계수가 425킬로헤르츠인 조건에서도 보안 키를 생성했다고 보고했다. 이는 독립형 시스템의 내성보다 4자릿수 높은 수준이다. 또한 채널 감쇠가 30데시벨인 조건에서 초당 킬로비트 수준의 보안 키 전송률을 기록했다.
이 수치들은 성능의 서로 다른 측면을 나타낸다. 반복 주파수는 시스템의 작동 속도를, 잡음 계수는 원치 않는 검출 사건을, 보안 키 전송률은 처리 후 생성되는 실제 사용 가능한 비밀 키의 양을 뜻한다. 실험이 무엇을 입증하는지 이해하려면 이 수치들을 구분해야 한다.
핵심적인 진전은 어드밴티지 디스틸레이션이라는 기법을 빠른 신호 인코딩, 소형 반도체 검출기와 결합한 데 있다. 연구진은 양자 신호를 잡음으로부터 차단하는 데만 의존하지 않고, 잡음이 있는 키 데이터를 처리하는 방식도 바꿨다.
무엇을 보호하는가?
양자 키 분배(QKD)는 두 당사자가 양자 상태를 이용해 공유 비밀 키를 만들 수 있게 한다. 이렇게 만든 키는 암호화 통신에 활용할 수 있다. 이번 실험의 대상은 키 분배이며, 시스템의 작동 주파수인 2.5기가헤르츠로 일반 메시지를 전송하는 것은 아니다.
양자 키 분배의 장점은 정보이론적 보안이다. 프로토콜의 가정이 충족되면, 비밀성은 공격자가 어려운 수학 문제를 풀지 못한다는 데 달려 있지 않다. 양자 신호와 키 생성 과정의 검증 절차를 통해 참여자들은 측정값에서 비밀 키를 추출할 수 있는지 판단할 수 있다.
이번 연구는 흔히 MDI QKD라고 부르는 측정 장치 독립형 양자 키 분배를 사용한다. 이 방식은 측정 장비를 신뢰할 것을 요구하지 않는다. 기반이 되는 양자 프로토콜이 안전하더라도 검출기가 실제 구현 과정에서 취약점을 만들 수 있어 중요한 특성이다.
그렇다고 네트워크의 모든 요소를 무시하거나 안전한 것으로 간주해도 된다는 뜻은 아니다. 신호 준비 과정과 프로토콜의 다른 가정도 여전히 중요하다. 구체적인 이점은 까다로운 광학 환경에서도 비밀 키를 생성하면서 측정 장치를 신뢰할 필요가 없다는 것이다.
배경광이 큰 장애물인 이유
양자 통신은 매우 약한 광 신호를 사용한다. 기존 통신 장비는 훨씬 강한 신호를 전달하며, 광섬유의 비선형 효과로 인해 추가적인 빛이 생길 수 있다. 이렇게 원치 않게 발생한 빛은 의도한 양자 정보와 무관한 검출 사건을 일으킬 수 있다.
문제는 단순히 연결에 잡음이 생기는 데 그치지 않는다. 측정 데이터에 오류가 너무 많거나 유용한 상관관계가 부족하면 참여자들이 보안 키를 추출하지 못할 수 있다. 따라서 광학적으로 작동하는 시스템이라도 실제로 쓸 수 있는 비밀 정보를 제공하지 못할 수 있다.
자유공간 링크도 다른 원인으로 비슷한 문제에 직면한다. 위성 연결과 드론 같은 플랫폼은 햇빛을 포함한 강한 주변광에 노출될 수 있다. 연구는 이런 환경을 더 높은 잡음 내성이 필요한 이유로 제시하지만, 보고된 150km 공존 실험은 광섬유를 사용했다.
필터링은 원치 않는 빛을 걸러내는 데 도움이 되지만 한계가 있다. 필터가 유용한 신호까지 제거할 수 있고 장비의 복잡성을 높일 수도 있다. 연구팀의 접근법은 물리 계층과 데이터 처리 계층에서 문제를 다룬다. 저잡음 검출과 함께, 잡음이 더 많은 측정 기록에서도 비밀 키를 추출하도록 고안된 기법을 활용한다.
어드밴티지 디스틸레이션이 계산을 바꾸는 방식
어드밴티지 디스틸레이션은 원시 키 데이터를 여러 묶음으로 처리해 비밀 키 생성에 활용할 수 있는 상관관계를 높인다. 원시 데이터란 참여자들이 보안 키를 확정하는 데 필요한 검증과 처리를 마치기 전의 초기 기록을 말한다.
핵심 원리는 선택적 처리다. 모든 원시 키 요소를 똑같이 유용한 것으로 취급하는 대신, 이 기법은 묶음 안의 관계를 이용해 보안 키 생성에 더 적합한 데이터를 남긴다. 어떤 잡음이든 무해하게 만들 수 있는 것은 아니지만, 유용한 비밀성을 복원할 수 있는 조건의 범위를 넓힐 수 있다.
연구진은 이 시스템에 적용되는 어드밴티지 디스틸레이션의 유한 키 길이 분석을 개발했다. 이는 중요한 현실적 차이를 반영한다. 실험에서는 제한된 양의 데이터를 수집하지만, 이상화된 계산은 임의로 큰 데이터 집합을 가정할 수 있다. 보안성과 성능을 평가할 때는 한정된 데이터 수집에 따른 통계적 불확실성을 고려해야 한다.
이번 연구에서 처음으로 제시된 것은 이론적 연구와 실험 장비를 바탕으로 어드밴티지 디스틸레이션을 적용한 MDI QKD의 실용적 구현이다. 어드밴티지 디스틸레이션 자체를 이번 연구에서 발명했다는 주장은 아니다.
데이터 처리가 쓸 수 있는 측정값의 필요성을 대신할 수는 없으므로 하드웨어도 중요하다. 고속 병렬 인코딩은 양자 신호를 빠르게 제공하며, 소형 반도체 단일광자 검출기는 논문에서 언급한 부피가 크고 자원 소모가 많은 검출 장비 없이 저잡음 검출을 가능하게 한다.
성능 수치가 실제로 보여주는 것
시스템의 잡음 임계치인 425킬로헤르츠는 초당 42만5,000회의 잡음 계수에 해당한다. 논문은 이 정도 잡음이 있어도 보안 키를 생성할 수 있다고 보고했다. 이는 검출 계수율이지, 광 출력이나 메시지 암호화 속도를 나타내는 수치가 아니다.
4자릿수 차이는 1만 배를 뜻한다. 따라서 연구에서 제시한 비교는 기준으로 삼은 독립형 시스템에 비해 잡음 내성이 크게 향상됐다는 의미다. 기존의 모든 양자 키 분배 장비와 비교해도 보편적으로 같은 성능 비율을 보인다는 뜻으로 해석해서는 안 된다.
보안 키 생성 능력의 향상 폭은 2자릿수, 즉 100배로 보고됐다. 이는 잡음 내성이 1만 배 높아졌다는 결과와 별개다. 전자는 보안 키를 생성하는 능력을, 후자는 시스템이 견딜 수 있는 잡음의 양을 나타낸다.
2.5기가헤르츠에서 시스템은 초당 25억 회 반복 작동한다. 그러나 최종 보안 키 출력은 훨씬 낮다. 광 손실과 성공적인 측정 사건, 보안 처리 과정에 따라 살아남는 유용한 비밀 정보의 양이 결정되기 때문이다. 논문 초록은 감쇠 30데시벨 조건에서 초당 킬로비트 수준의 출력을 보고했지만, 정확한 전송률은 제시하지 않았다.
30데시벨 손실과 150km 공용 광섬유
채널 감쇠 30데시벨은 광 파워가 1,000분의 1로 줄어든다는 뜻이다. 명시된 손실을 거친 뒤에는 입력 광 파워의 1,000분의 1이 남는다. 이 조건에서 초당 킬로비트 수준의 보안 키를 생성한 것은 상당한 신호 손실에도 시스템이 작동한다는 점을 보여준다.
별도로 진행된 공존 실험에서는 양자 시스템을 차이나유니콤이 제공한 기존 광통신 장비에 연결했다. 양자 키 분배와 기존 광통신 신호를 같은 광섬유에 실어 150km 구간에서 전송했다. 이는 도시간 연결에 의미 있는 거리다.
공용 광섬유 실험은 실용성을 확인하는 시험이다. 양자 네트워크가 약한 양자 신호만을 위해 광 경로를 독점적으로 확보할 수 있는 것은 아니기 때문이다. 광섬유를 함께 사용하면 시스템은 기존 통신 장비와 그에 수반되는 강한 빛의 영향을 받는다.
발표된 논문 초록과 실험 설명은 잡음 임계치, 감쇠 조건에서의 키 전송률, 공용 광섬유 전송 거리를 제시한다. 하지만 최대 잡음 부하, 명시된 감쇠 기준, 150km 전송이 모두 동일한 작동 조건에서 동시에 달성됐다고 입증하지는 않는다. 결과를 과장하지 않으려면 이를 각각 별도로 보고된 성능 기준으로 다뤄야 한다.
발표 시점과 상용화 주장에 대한 한계
연구 결과는 협력 기관과 차이나유니콤을 통한 실험을 추가로 소개한 후속 설명에 앞서 피지컬 리뷰 레터스에 게재됐다. 발표 순서는 다음과 같다.
- 2026년 9월 30일: 피지컬 리뷰 레터스에 논문이 게재됐다. 논문은 2.5기가헤르츠 시스템, 425킬로헤르츠 잡음 내성, 30데시벨 감쇠 조건에서의 보안 키 생성을 보고했다.
- 2026년 10월 9일: 후속 설명에서 참여 기관과 차이나유니콤 장비를 사용한 150km 공용 광섬유 시연이 소개됐다.
소형 검출기, 높은 작동 속도, 배경 잡음 내성, 공용 광섬유 전송을 결합해 여러 실용 요건을 함께 다뤘다. 학술 논문은 이 시스템이 강한 보안성, 유용한 키 출력, 환경 잡음에 대한 내성을 갖춘 양자 보안망 구축의 해법이라고 제시한다.
하지만 이런 결론은 일상적인 상용 서비스가 입증됐다는 의미보다 범위가 넓다. 보고된 내용에는 장비 비용, 연속 작동 시간, 유지보수 요건, 네트워크 구축 일정이 제시되지 않았다. 위성이나 드론 시연도 입증하지 않았다. 이런 환경이 연구의 동기이기는 하지만, 구체적으로 확인된 네트워크 공존 결과는 광섬유에 관한 것이다.
이번 연구가 실용적 양자 통신에 미치는 의미
이번 결과의 가장 중요한 접점은 동일한 연구 과정에서 잡음 내성과 기존 인프라와의 호환성을 모두 다뤘다는 점이다. 독립된 환경에서만 작동하는 고속 시스템은 일반 통신 장비와 광섬유를 공유할 수 있는 시스템과는 다른 문제를 해결한다.
이번 연구는 작동 주파수만으로 진전을 평가하기 어렵다는 점도 보여준다. 실제 가치는 손실과 원치 않는 검출, 유한한 데이터 처리까지 고려한 뒤에도 그 속도가 보안 키 생성으로 이어지는지에 달려 있다. 어드밴티지 디스틸레이션은 잡음이 있는 환경에서 빠른 하드웨어 작동을 유용한 출력으로 연결하는 데 기여한다.
150km 시험은 이런 진전이 중요할 수 있는 구체적인 사례를 제시한다. 공용 광 인프라를 이용한 도시간 통신이다. 상용화 준비 수준을 평가하려면 지속적인 성능과 비용 등 이번 결과에 빠진 작동 관련 세부 정보가 추가로 필요하다. 구축 시한이나 후속 시험 날짜는 제시되지 않았다.
핵심 내용
- 중국과학기술대학과 협력 기관들이 어드밴티지 디스틸레이션과 소형 반도체 검출기를 이용한 MDI QKD를 구현했다.
- 시스템은 2.5기가헤르츠로 작동하며 초당 42만5,000회의 잡음 계수 조건에서도 보안 키를 생성한다.
- 보고된 잡음 내성은 기준 시스템 대비 4자릿수, 즉 1만 배 향상됐다.
- 논문은 채널 감쇠 30데시벨 조건에서 초당 킬로비트 수준의 보안 키 전송률을 보고했다.
- 별도 시연에서는 차이나유니콤의 광통신 장비를 이용해 150km 구간에서 공용 광섬유 전송을 진행했다.
- 이번 결과는 일상적인 상용 운영이나 구축 일정, 위성 링크 시연을 입증하지 않는다.
