전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2021.6 (p24~63)

양자 네트워크 개발 경쟁
세계가 경악한 중국의 4,600km 양자암호통신망

총론: 세계 경쟁

양자컴퓨터의 급속한 발전으로 현재 통신 분야에서 일반적으로 사용되고 있는 암호 시스템이 단번에 해독될 위험성이 표면화되고 있다. 국가기밀 등 민감한 정보를 지키는 기술로서 세계적으로 양자암호통신 개발 경쟁이 심화되고 있는 가운데, 규모에서 세계를 압도하는 중국의 위협에 대해 세계 각국이 대항하는 구도가 나타나고 있다.

중국이 구축한 양자암호통신망이 양자시대의 스푸트니크 쇼크라고 할 만큼 세계 각국에 위협을 가하고 있다고 과학 이노베이션에 관한 조사·분석을 담당하는 씽크 탱크인 연구개발전략센터(CRDS)의 마나코(眞子) 펠로우는 지적한다. 그렇다면 도대체 무엇이 위협적인 것일까?
(스푸트니크 쇼크는 소련이 1957년 1월, 인류 최초의 인공위성 스푸트니크 1호 발사에 성공하면서 세계의 우주 및 미사일 개발에 있어 리더로 자부하던 미국이 자신감을 잃고 군사적 위협을 받은 상황을 말한다. 중국이 구축한 양자암호통신망은 양자시대의 스푸트니크 쇼크라고 할만한 위협을 세계 각국에 가하고 있다는 것이다)

“양자암호통신으로 주고받는 정보는 대규모 양자컴퓨터가 실현되었다고 해도 물리 법칙상 절대로 암호를 해독할 수 없다. 이처럼 외부로부터 도청이 불가능한 네트워크를 중국은 장대한 규모로 실현한 것이다. 이것은 (군사적으로 대립 관계에 있는)미국 등에게 안전보장상의 밸런스가 무너지는 것을 의미한다”(CRDS).

-- 사이버 공간의 만리장성 --
중국이 만들어 낸 이 경이로운 양자암호통신망은 올 1월 과학잡지 네이처에 실린 중국과학기술대학(USTC) 등의 그룹 논문에서 그 전모가 드러났다. 그것은 사이버 공간의 ‘만리장성’이라고도 할 수 있는, 외부 적으로부터 완벽하게 방어하는 거대한 암호 네트워크이다.

상하이 시에서 베이징 시까지 2,000km의 네트워크, 더 나아가 상하이 시와 허페이(合肥) 시, 지난(済南) 시, 베이징 시 등 중국의 핵심 도시 내에는 그물코처럼 양자암호통신망이 펼쳐져 있다.

중국은 지상뿐 아니라 우주 공간에도 양자암호통신망을 구축하고 있다. 2016년, 중국은 세계 최초의 양자통신위성 ‘모쓰호(墨子號)’ 발사에 성공. 이 양자통신위성을 통해 중국 난산(南山) 구와 싱룽(興隆) 현을 잇는 2,600km의 암호 네트워크도 가동하고 있다.

지상과 위성을 포함한 중국의 양자암호통신망의 총 길이는 무려 4,600km. 이 암호 네트워크를 중국 내에서는 이미 신화사통신(新華社通信), 중국공상은행(中國工商銀行), 국가전망(國家電網) 등이 기밀 정보를 송수신하는데 활용하고 있는 것으로 알려져 있다.

-- 빛의 최소 단위를 암호키 공유에 활용 --
양자암호통신은 공식적으로 ‘양자키 배송(QKD: Quantum Key Distribution)’이라고 불리는 기술이다. 데이터를 암호화하기 위한 ‘키’ 정보를 양자역학의 원리에 근거해 송수신한다.

세계적으로 실증이 추진되고 있는 대표적인 양자암호통신은 ‘BB84’로 불리는 방식이다. 광섬유 양끝에 송신기와 수신기를 1대 1로 배치하고 암호키를 빛의 최소 단위인 단일 광자에 정보를 담아 전송한다.

-- 양자 컴퓨터의 발전으로 실증 가속화 --
양자암호통신은 10년 이상 전부터 세계적으로 실증이 추진되어 왔다. 하지만 크게 주목을 받기 시작한 것은 최근 몇 년이다. 그 배경 중 하나가 양자컴퓨터의 급속한 발전이다.

구글는 2019년, 슈퍼컴퓨터가 1만년 걸리는 계산을 양자컴퓨터가 몇 분만에 해결하는 양자초월성(Quantum Supremacy)을 달성했다고 발표했다. 이 성과는 실용화되기까지 긴 시간이 걸린다고 여겨져 온 양자컴퓨터를 단번에 진보시킨 획기적인 사건이다. 동시에, 세계적으로 널리 사용되는 현재의 암호시스템이 순식간에 해독되는 시대가 올 수도 있다는 불안감이 확산되는 계기가 되었다.

현실적으로 현시점의 양자컴퓨터 성능은 기존의 암호 시스템을 순식간에 해독할 수 있는 단계에 이르지 못했다. 구글이나 IBM가 2019년에 상용화한 양자컴퓨터는 아직 양자비트 수도 한정되어 있고, 오류 내성 등에 과제가 남아 있다. 진정한 의미에서의 실용적인 양자컴퓨터 실현까지는 아직 10년 가까운 시간이 소요될 것이라고 한다.

그럼에도 불구하고 양자컴퓨터의 급속한 발전은 현재의 암호시스템에 대한 장기적인 신뢰성을 흔드는데 충분한 효과를 발휘하고 있다. 국가기밀이나 금융정보, 게놈 데이터 등 민감한 정보에 대해 지금부터 비용을 투자해서라도 양자컴퓨터로도 해독되지 않는 암호 체제를 구축해야 할 필요가 있다고 인식되고 있다.

-- 양자암호통신 개발 경쟁 활발 --
이러한 위기 의식 속에 중국 이외의 다른 국가들도 각국도 양자암호통신에 힘을 쏟기 시작했다.

중국에 이어 대응이 눈에 띄는 곳은 유럽이다. 2019년, 네덜란드와 독일 등 7개국이 합의해 향후 10년 이내에 유럽 내에 양자암호통신망을 구축하는 프로젝트 ‘European Quantum Communication Infrastructure(Euro QCI)’를 스타트했다. 현재 참가국은 24개국으로 확대되었다.

또한 같은 해, 영국의 BT와 프랑스의 Orange 등 유럽의 대형 통신업체와 도시바 등 38개 산학(産學) 파트너가 공동으로 양자암호통신의 테스트베드를 만드는 'Open QKD'라는 활동도 시작되었다.

미국은 지금까지 중국이나 유럽에 비해 양자암호통신 연구 활동에서 뒤처져 있었다. 하지만 최근, “중국의 움직임을 위협적으로 느꼈는지, 미국은 올해, 양자기술 관련 예산을 배분함에 있어 양자암호통신 등 네트워크 관련의 규모를 배증해 계상했다”(CRDS).

총무성의 국제전략국 기술정책과의 야마노(山野) 연구추진실장은 세계 각국의 양자암호통신을 둘러싼 움직임에 대해 “국가 정보를 지키는 암호 시스템에 대한 기술을 자체적으로 보유할 필요가 있기 때문일 것이다”라고 추측한다.

-- 일본도 세계에 존재감 발휘, 성능에서 리드 --
일본은 양자암호통신 연구개발에서 세계적으로 일정 부분 영향력을 가지고 있다. 야마노 연구추진실장은 “일본의 양자암호통신 기술은 성능이나 실증 면에서 세계 최고 수준임에는 틀림없다”라고 강조한다.

현재, 세계적으로 양자암호통신장치를 판매하고 있는 기업은 4개 사로, 스위스의 ID Quantique, 중국의 Quantum CT와 Anhui Quantum Technology, 그리고 도시바이다.

미∙중 대립이 격렬해지는 가운데, 미국의 동맹국이 중국산 기기를 도입하는 것에는 어려움이 따를 것이다. 그렇게 되면 양자암호통신장치의 상용 도입 선택지는 현시점에서 도시바와 ID Quantique 두 곳으로 한정된다.

-- 일본, 최초의 양자암호통신 표준 확보 --
일본기업은 특허나 표준화에서도 세계를 견인한다. 양자암호통신에 관련된 특허 수는 도시바가 세계 최고라고 한다.

세계에 양자암호통신장치를 확대하기 위해 필수적인 국제표준도 NICT와 도시바, NEC를 중심으로 한 일본 기업의 안(案)이 세계 전기통신 표준을 결정하는 ITU-T의 권고로 채택되었다. “양자암호통신 분야에서 세계 최초의 포괄적 표준화다. 일본기업이 취득한 의미는 크다”라고 총무성의 야마노 씨는 말한다.

-- 양자 상태를 전송하는 양자 인터넷 --
이와 같은 양자암호통신이지만 사실, 양자가 가진 잠재성의 극히 일부만을 활용하고 있다. 광자의 양자역학적 특성을 활용하고 있지만, 사용하고 있는 것은 더 이상 분할할 수 없다는 광자의 입자성과 관측하면 광자의 상태가 변화한다는 점뿐이다.

송신 거리도 100km 내외에 머무르고 있다. 그 이상의 장거리 통신을 실현하고 싶을 경우, 버킷 릴레이와 같이 100km 전후마다 한 번 암호를 풀고, 다시 암호화해 송수신할 필요가 있다. 암호를 푼 상태로 노드를 공격받았을 경우, 정보가 유출될 우려가 있다.

양자의 잠재력을 최대한 활용한 ‘물리 법칙에 허락되는 궁극의 정보 통신’이라고도 말할 수 있는 통신 방식에 대한 연구 개발도 세계적으로 추진되고 있다. 그것이 양자 인터넷이다.

양자인터넷은 사회적 도입이 시작되고 있는 단계인 양자암호통신(QKD)에 비해 아직 기초 연구 단계다. 최대 걸림돌은 광자의 양자 상태를 중계하는 양자 중계 기술이다.

-- 정부도 양자기술 추진 지원 --

Part 1. 양자암호통신, 일본의 승기
승부는 2022년에 중국 추격, 플랫폼화로 이용 확대

중국, 일본, 미국, 유럽에서 실증이 추진되고 있는 양자암호통신(QKD: Quantum Key Distribution). 일본기업들은 장치의 성능 및 국제 표준화 등에서 강점을 가지고 있다. 민관이 연대해 사회적 도입을 추진해 나간다면 세계를 리드할 가능성이 있다. 일본기업들의 세계 공략을 위한 시나리오를 살펴보자.

“2022년경까지 중국으로부터 양자암호통신의 세계 시장을 탈환, 2025년 이후에는 세계 시장 점유율의 4분의 1을 차지할 수 있도록 하겠다”. 정보통신연구기구(NICT) 미래ICT연구소 주관연구원 사사키(佐々木) 씨는 이렇게 강조한다.

국가 안전보장의 관점에서 세계적으로 중요성이 커지고 있는 양자암호통신은 2025년경부터 세계적으로 보급이 가속화되어 10년 정도 안에 사회에 널리 보급. 2035년에는 200억달러(약 2.1조엔)의 시장 규모로 확대될 것으로 예상되고 있다.　일본기업들은 국내 시장은 물론 거대 세계 시장 진출을 노리고 있다.

-- 미∙중 대립으로 일본에 유리 --
 

● 세계 최고 성능으로 점유율 25% 노려
국내외 50개 이상의 기업과 실증

일본 국내는 물론 세계 양자암호통신 시장을 성능 면에서 선도하고 있는 도시바. 도시바가 개발하는 양자암호통신장치는 암호키를 공유하는 속도가 300 k비트/초, 최대 전송 거리는 120 km로 타사 제품의 성능을 크게 능가한다.

장거리 전송이 가능할수록 양자암호통신시스템의 도입 비용을 낮출 수 있다. 이와 같은 성능은 세계 시장 공략에 강점이 된다.

-- 영국 BT및 미국 Verizon과도 실증 --
도시바는 국내외에서 인프라를 구축할 파트너 및 최종 사용처를 포함해 50여 개 기업들과 상담을 진행하고 있다고 한다.

북미에서는 미국의 대형 통신업체인 Verizon Communications가 실시하고 있는 양자암호통신 실험에 참가하고 있다. 5G의 중계국에 양자암호통신을 도입해 안전한 통신로를 확보하는 것이 목적이라고 한다.

5G는 낮은 지연성을 활용해 자율주행 등에서의 원격제어 용도가 상정되어 있다. 만약 5G가 해킹당할 경우, 사람의 생사가 위태로울 수 있기 때문에 양자암호통신으로 지키려는 것이 실험의 목적이다.

-- 하드웨어 판매가 아닌 서비스화를 지향 --
-- 양자 산업에서 GAFA 이상의 가능성 --

● 기존 광섬유와 공용에 주력
생체인증 분야 등으로의 응용도

NEC는 도시바와 함께 국내 양자암호통신장치 개발의 선두 주자로 자리잡고 있다. NEC가 개발하는 BB84 방식의 양자암호통신장치는 키 생성 속도가 50k~100 k비트/초, 최대 전송 거리 50km로, 도시바의 장치와 비교하면 성능 면에서는 뒤떨어진다.

무엇보다 NEC는 현재 상용 단계에 있는 BB84 방식과는 다른 방식의 양자암호통신장치에 주력하고 있다. CV-QKD(Continuous Variable-Quantum Key Distribution)라고 불리는 양자암호통신 방식이다.

-- 빛의 위상 차이를 이용 --
-- 생체 정보 유출을 방지 --

● 비밀분산과 조합해 클라우드화
2030년에는 전국을 네트워크화

NICT는 일본의 양자암호통신 연구개발의 총본산이다. 2001년, NICT 내에 양자암호통신 연구그룹이 정식으로 발족, 2010년에는 도쿄 100km권 내의 양자암호통신 테스트베드 'Tokyo QKD Network'의 가동이 시작되었다. 이 테스트베드를 통해 기술을 연마한 도시바와 NEC는 양자암호통신 분야에서 국제적으로 두각을 나타내고 있다.

또한 NICT는 2월 내각부가 일본 전국 8개 대학 및 연구기관에 지정한 '양자기술 이노베이션 거점' 중 하나가 되었다. 특히, 양자암호통신 등의 국내 중심 거점인 ‘양자 시큐리티 거점’으로서 본격적으로 활동하기 시작했다.

이와 같은 NICT가 현재 양자암호통신 보급을 위해 주력하고 있는 것이 '양자 시큐어 클라우드'라고 불리는 기술이다.

-- 원본 데이터 분할 보존 --
-- 2026년에 양자암호통신 위성 발사 --
-- 에코시스템 가속화를 위해 평가인정 제도도 필요 --

Part 2. Q&A로 알 수 있는 양자암호통신
단일광자로 도청 감지, 이론상 해독이 불가능한 암호

신용카드 정보, 의료 데이터, 국가 기밀 등, 인터넷에서 유통되는 비밀 정보가 미래에는 위험에 노출될 수 있다. 향후 양자컴퓨터의 성능 향상으로 현재의 암호화통신이 붕괴될 위험이 있기 때문이다. 그 해결책인 양자암호통신에 대해 도시바디지털솔루션의 개발자가 기술의 기초로부터 실제 상황에 이르기까지 설명해주었다.

-- Q1. 양자암호통신이란? --
-- Q2. 양자암호통신은 절대 해킹되지 않을까? --
-- Q3. 양자암호통신은 어떻게 도입할까? --

Part 3. 양자 인터넷
최대 어려움은 양자 중계, 유력후보는 ‘다이아몬드’

구글과 IBM이 개발 경쟁을 펼치고 있는 양자컴퓨터. 여러 대의 양자컴퓨터를 상호 접속하면 연산 능력은 지수적으로 증가한다. 이를 위한 네트워크 기반인 ‘양자 인터넷’은 현행 인터넷과 완전히 다른 프로토콜과 중계기가 필요하다. 양자 중계기로 유망시되고 있는 것이 양자 메모리로서의 기능을 갖춘 다이아몬드이다.

양자암호통신은 양자 상태를 활용하지만, '0' 또는 '1'의 고전 비트로 암호키를 공유한다. 이에 반해, ‘0’이기도 하고 ‘1’이기도 한 양자 비트를 송수신 하는 정보통신 기반이 ‘양자 인터넷’이다.

-- 양자컴퓨터의 연산을 지수 고속화 --
내각부가 2020년 1월에 공표한 ‘양자 기술 이노베이션 전략 최종 보고’에 따르면, 양자 인터넷의 부분적인 실용화 시기는 빠르면 2030년경. 현단계에서는 시스템에 필요한 각각의 요소 기술을 연구 개발하고 있는 단계이다.

중계 부분에서 암호를 한번 풀어야 하는 양자암호통신의 약점도 해소된다. 양자 인터넷은 양자 상태를 유지한 채 암호키를 공유. “엔드투엔드(E2E)로 안전하게 암호통신을 할 수 있다는 점도 양자 인터넷이 가진 매력 중 하나이다”라고 전문가는 말한다.
 

하지만 현행 인터넷이 향후 전면적으로 양자 인터넷으로 쇄신되는 것은 아니다. 양자컴퓨터가 실용화되더라도 고전적인 컴퓨터는 여전히 필요하기 때문이다. 현행 인터넷과 양자 인터넷 전용 정보통신 기반을 향후 병용해 나갈 것으로 전망된다.

-- 디지털 통신 중계기 적용 불가능 --
양자 인터넷 실현에 있어 최대 과제는 통신 경로에 있어서의 중계기이다. 양자 인터넷도 현행 인터넷 기간망과 마찬가지로 광자를 정보매체로 사용한다. 무엇보다 양자 인터넷에서는 광자를 ‘0’과 ‘1’의 디지털 신호로서 이용하는 것이 아니라, 양자 상태(주로 편광 상태) 자체를 정보로서 취급한다. 이 차이로 인해 디지털 신호로 사용되어 온 기존의 중계기를 적용할 수 없게 된다.

-- 장거리 간 양자 뒤엉킴 생성 --
-- 실용화는 빨라야 30년 이후 --

● 다이아몬드를 양자 중계기로 활용

양자 메모리를 이용하는 양자 중계에 있어 현재 유망시되고 있는 것이 '다이아몬드 NV센터'라 불리는 물질을 활용하는 방법이다.

다이아몬드NV센터는 다이아몬드 안의 여러 탄소(C)를 질소(N)로 치환한 물질이다. N은 C보다 다른 원자와 결합하는 원자가가 1개 적기 때문에 다이아몬드 안에 구멍이 생겨 그 곳으로 전자가 모인다. 모인 전자와 탄소의 동위체인 핵자는 양자 상태를 장시간 유지할 수 있기 때문에 양자 메모리로서 사용할 수 있다.

또한 다이아몬드 NV센터는 실온에서도 동작할 수 있다는 이점도 있다. 다른 일반적인 물질을 사용한 양자 메모리일 경우, 동작 시 냉각이 필요하다.

-- NV 센터 내에서 빛 상태를 탄소에 전사(轉寫) --
-- 2단계 양자 텔레포테이션 --
-- 전자와 뒤엉킨 광자를 방출 --
-- 상관관계 측정 성공률 향상이 과제 --

● 오사카대학∙NTT가 전광(全光) 양자 중계 실증

양자 인터넷의 개발에 NTT도 주력하고 있다. 양자 중계기에 다이아몬드 NV센터와 같은 양자 메모리가 필수적이라고 알려져 있지만, NTT는 빛의 송수신 장치만으로 양자 중계가 가능한 '전광(全光) 방식'을 제창하고 있다.

-- 사전에 양자 뒤엉킴을 형성해 시간 단축 --
-- 양자 컴퓨터 개발과의 상호작용도 --

-- 다이아몬드 NV센터, 중계기뿐만 아니라 센싱으로도 유망 --
다이아몬드 NV센터에 대해 덴소나 히타치제작소 등도 모두 주목하고 있다. 센싱에도 사용할 수 있기 때문이다.

NV센터 연구 개발을 추진하는 도쿄공업대학 하타노(波多野) 교수는 ‘자기장과 전장, 온도를 동시에 센싱할 수 있다는 점이 NV 센터의 특징’이라고 설명한다. 센서로서의 다이내믹 레인지가 넓으며 양자 디바이스로는 드물게 밀리켈빈(K) 레벨의 저온에서 600K정도의 고온까지 동작 가능해, 차량 탑재용부터 세포 내 계측까지 폭넓은 응용이 기대되고 있다.

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