이미 실현된 양자 암호 통신

안녕하세요?

양자 컴퓨터라고 들어본 사람들은 많으리라 생각이 되는데, 여기에 '양자 암호 통신'이라는 것이 있다고 합니다. 저는 이것이 미래의 기술일 뿐, 지금과는 거리가 있는 것이라고 생각을 했었는데, 과학동아 2018년 3월호를 보니, 이미 국내에서 부터 연구가 활발한 분야 라고 합니다.

이미 부분적인 상용화라고 해서, 세종시 이용자들의 광통신망을 이용해서 통신내용이 전달되는 대전 둔산부터 세종 구간에는이러한 양자 암호를 이용한 통신기술이 적용되어 있다고 합니다. 어떻게 이런 기술이 가능한 것인가 했더니, 그 이유는 아이러니 하다고 해야 할까요? 일단 모든 정보를 양자화 시켜 주고 받는 기술은 아니라고 합니다.

먼저 이 기술에 대해서 설명에 들어가기 앞서, 설명해야 할 것이 하나 있는데, 바로 '빛의 편광(또는 위상)' 이라는 성질을 이용하는 것이 양자 암호 통신이라고 합니다. 예컨데 레이져와 같은 형태로 발사가 된 빛은 좌우, 상하등 모든 방향으로 진동하는 성질을 가지고 운동을 하는데, 특수한 필터를 이용해서 원하는 방향으로만 진동하는 빛으로 걸러낼 수 있다고 합니다.

먼저 위 그림의 묘사처럼, 광자가 레이저 발생장치에서 나오면, 이 광자는 어느 방향으로든지 계속 진동을 할 수 있는데, 편광 필터를 통과하면 특정한 방향으로만 진동하는 광자를 만들 수 있다고 합니다. 그럼 이게 어떻게 해서 통신이 되느냐 하면, 여전히 주고 받는 정보는 0과 1이라고 합니다. 그러나 받는 사람은 아래와 같은 방식으로 신호를 받아야 한다고 합니다.

일단 수신자는 광자가 어느 방향으로 진동할 지 모르기 때문에 무작위로 수신 필터를 교체해 가면서 ,광자를 측정 한다고 합니다. 즉, 광자가 진동하는 방향이 수신 필터의 방향과 같으면 그대로 통과해서 광센서에 감지가 되는 것이고, 수신필터와 광자의 진동 방향이 다르면 수신 필터에 걸려서 그대로 사라진다고 보시면 됩니다. 그럼 여기서 하나 궁금해 하실 것으로 생각이 드는게, 어떻게 해서 광자가 0과 1이라는 2진수로 변환이 되느냐 하는 것 인데, 그 방법은 아래와 같다고 합니다.

위 그림의 묘사처럼, 특정 진동 방향의 광자가 검출이 되면, 이를 1과 0이라고 지정을 하는 것입니다. 그래서 여기서 도청을 하고자 하면, 문제가 생기는 것이, 원래 송신자와 수신자가 어떤 편광 필더를 쓸 것으로 약속했는지 모르면, 측정 오류부터 50%가 되어서 제대로 정보를 얻어낼 수 없다고 합니다.

여기서 또 등장하는 것이 하나 있는데, 바로 비밀키라고 하는 것이 있다고 합니다. 이 방법을 사용하면, 수신자가 받은 0과 1의 신호중에 특정한 패턴이 있는데, 이 패턴이 바로 비밀키라고 합니다. 통상적으로 자연적인 이 비밀키가 소실되는 확율이 5%라고 합니다. 그런데 누군가가 도청을 하면, 이 비밀키의 오류가 11%까지 올라가게 된다고 합니다. 이에 따라 도청을 시도하면 바로 그 사실이 양자 암호 통신에서는 걸리게 되며, 도청이 어려운 것을 넘어서 거의 불가능에 가깝게 된다고 합니다.

마지막으로 양자 암호 통신에서는 이 비밀키도 10분 간격으로 바뀐다고 합니다. 그래서 도청을 하고자 하면, 이 비밀키를 10분과 같은 간격으로 계속 알아내서 보내야 하는데, 이는 거의 불가능 하다고 합니다. 이런 특성 때문에 양자 암호 통신은 양자 컴퓨터가 나오기 전에 먼저 실용화가 시도되고 있는데, 이런 시도가 나온 이유는 양자 컴퓨터의 엄청난 연산 때문에 기존의 암호 체계는 무력화 될 수 있기 때문이라고 합니다. 다만, 이것도 암호는 암호이기 때문에, 아마 누군가는 어떻게 보안을 뚫어낼 방법이 나오지 않을 까 하는 생각이 듭니다.