양자통신(Quantum Communication)

양자통신(Quantum Communication)은 양자역학의 원리를 이용하여 정보를 전송하는 기술로, 특히 절대적으로 안전한 정보 보안을 가능하게 하는 핵심 기술로 주목받고 있습니다. 일반적인 전자기파 기반 통신과는 달리, **광자(빛의 입자)**를 양자 상태로 변조하여 정보를 전달하고, 이 상태의 측정 불가능성 또는 관측 시 상태 붕괴 원리를 활용하여 도청 여부를 실시간으로 탐지할 수 있습니다.

아래에 양자통신의 과학적 원리와 구현 구조를 체계적으로 설명드립니다.

---

📌 양자통신의 기본 개념

양자통신이란?
양자역학에서 정의된 불확정성 원리, 양자 중첩, 측정 시 붕괴, 양자 얽힘 등의 특성을 기반으로, 빛의 입자인 **광자(Photon)**를 통해 정보를 전송하고, 이를 통해 정보의 도청을 원천적으로 차단하는 통신 방법입니다.

---

🔷 1. 양자통신의 핵심 원리

1️⃣ 광자 = 정보 단위(큐비트)

• 고전 컴퓨팅에서는 비트(0 또는 1)를 사용하지만,
• **양자통신에서는 광자의 물리 상태(편광, 위상, 시간 등)**를 이용한 **큐비트(qubit)**를 사용.

∣ψ⟩=α∣0⟩+β∣1⟩(중첩 상태)|\psi\rangle = \alpha |0\rangle + \beta |1\rangle \quad \text{(중첩 상태)}

2️⃣ 측정 불가능성과 도청 탐지

• 양자 상태는 측정하면 붕괴됩니다.
• 즉, 누군가 광자의 상태를 도청하면, 그 광자는 원래 상태를 잃어버려 에러(QBER)가 증가합니다.
• 이를 통해 실시간으로 도청 여부를 감지할 수 있음.

3️⃣ 양자 얽힘 (Quantum Entanglement)

• 두 광자를 얽힌 상태로 생성하면, 한쪽의 상태를 측정할 때 즉시 다른 쪽의 상태도 결정됨.
• 얽힘 기반 양자통신은 보다 복잡하고 안전한 양자 네트워크 구현에 필수입니다.

---

🔷 2. 대표 구현 방식: QKD (Quantum Key Distribution)

💡 예시: BB84 프로토콜 (1984, Bennett & Brassard)

● 송신자(Alice):

1. 광자 편광 상태를 0°, 90°, 45°, 135° 중 하나로 설정하여 전송
2. 각 편광 상태는 0 또는 1로 대응

● 수신자(Bob):

1. 무작위로 측정 기준(수직/대각)을 선택해 측정
2. 일치하는 측정값만 공유하여 암호 키(Key)를 생성

● 도청자(Eve)가 개입하면?

• 광자를 측정하는 순간 상태가 붕괴 → Bob이 측정한 결과가 확률적으로 바뀜
• Alice-Bob 간 키 일치율이 급격히 낮아지면 도청 감지 가능

---

🔷 3. 전송 방식: 광자 채널

채널 종류 설명 특징

광섬유 채널	통신용 광섬유를 이용한 단거리 전송 (수 km~수백 km)	손실률 증가로 장거리 전송 한계 존재
자유공간 채널 (Free Space)	공기 중 또는 우주 공간을 통한 전송	위성 기반 QKD 가능, 대기 조건 민감
위성 양자통신	위성↔지상 간 광자 송수신	글로벌 보안망 구축에 핵심 기술

---

🔷 4. 양자통신 시스템 구성도

[Alice: 송신기]                  [Bob: 수신기]
 ┌───────────────┐               ┌───────────────┐
 │ VCSEL 광원     │ ───────▶────▶ │ SPD 검출기     │
 │ 편광/위상 변조기│             │ 간섭계 (옵션)   │
 └───────────────┘               └───────────────┘
     │                                   │
 [키 정제, 보안 증폭]             [키 정제, 보안 증폭]
              │                          │
              └──────▶ 공유 암호 키 ◀────┘

---

🔷 5. 양자통신의 주요 특성

항목 설명

보안성	물리 기반 보안 → 무조건 안전(Unconditional Security)
비밀키 분배	QKD로 도청 없이 키 교환 가능
양자채널 손실	광자 손실률이 크므로 SPD, 반복자 등 보완 필요
도청 감지	QBER 측정을 통해 실시간 감지 가능
장거리 한계	광섬유 기반은 200km 내외, 위성 활용 시 수천 km 가능

---

🔶 요약: 양자통신은 무엇이 다른가?

항목 기존 통신 양자통신

정보 단위	전자 비트	광자 큐비트
보안성	수학적 보안 (깨질 가능성 존재)	양자역학 기반 절대 보안
도청 탐지	불가능	가능 (상태 붕괴로 탐지)
키 교환 방식	공개키 기반 알고리즘 (RSA 등)	QKD로 안전한 키 생성
응용	VPN, SSL, 암호화 메일 등	국가통신망, 위성-QKD, 국방보안망 등

---

필요하시면 다음 주제로:

• BB84 vs E91 프로토콜 비교
• QKD를 활용한 양자 보안 네트워크 구성
• 위성 양자통신 시스템 구조
• 양자통신용 ASIC 설계 요소

등으로 확장 가능합니다. 요청해 주세요.