QKD의 기본 원리 및 응용 분야

 

 

 

 

양자 키 분배(Quantum Key Distribution, QKD)는 양자역학의 원리를 이용하여 절대적으로 안전한 암호키를 공유하는 기술입니다. 고전 암호 시스템은 수학적 복잡성에 의존하는 반면, QKD는 물리학적 원리, 특히 **양자 중첩(superposition)**과 관측 불가능성(no-cloning, 비복제성), 측정에 의한 붕괴 등 양자역학의 근본 속성을 기반으로 합니다. 아래에 QKD의 원리와 주요 응용 분야를 정리합니다.

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1. QKD의 기본 원리

● 핵심 개념

• 양자 얽힘(Entanglement) 또는 **편광 상태(Polarization State)**를 이용해 암호 키(bit stream)를 생성
• 제3자가 도청(Eavesdropping)할 경우 양자 상태가 변화, 통신 당사자들이 이를 탐지 가능

● 대표 프로토콜

(1) BB84 프로토콜 (1984, Bennett & Brassard)

• 양자 비트를 0/1로 인코딩한 광자를 서로 직교한 두 개의 편광 기준(예: 직각/45도)으로 송수신
• 수신자는 랜덤한 기준으로 측정하여 일부 비트를 선택해 비교
• 도청자가 존재할 경우, 오류율 증가 → 통신 중단

(2) E91 프로토콜 (Ekert, 1991)

• 얽힘 상태의 광자쌍을 이용
• 벨 부등식 위배 여부를 통해 도청 탐지

● 키 생성 절차 요약

1. 양자 채널을 통해 광자 송신
2. 수신자 측 측정 후 결과 공유
3. 일치하는 비트 추출 (Sifting)
4. 오류 정정(Error Correction)
5. 개인정보 유출 추정 및 제거 (Privacy Amplification)
6. 최종 암호 키 생성

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2. QKD의 기술 구성 요소

구성 요소 설명

광원(Laser Diode)	단일광자 또는 약한 코히런트 광 발생
변조기(Modulator)	비트 정보를 편광/위상 등으로 인코딩
광섬유 or 자유공간 채널	양자 채널 (광자 전송)
검출기(Single Photon Detector)	수신 광자 검출, 타이밍 정밀 요구
클래식 채널	양측 간의 키 확인용 (암호화되지 않아도 됨)

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3. QKD의 응용 분야

① 정부·국방

• 국가 간 외교 통신 보호
• 위성 기반 QKD를 통한 글로벌 안전망 구축
• 지휘통제센터(C4ISR) 네트워크 보안

② 금융·핀테크

• 은행 간 고위험 거래 채널 보호
• 블록체인 키 관리 보안 강화
• 전자결제, 송금 시스템의 정보유출 방지

③ 양자 인터넷

• **양자 중계기(Quantum Repeater)**와 연계
• 광역 통신망에서의 보안 강화 및 양자 통신 인프라 기초

④ 에너지·인프라

• 스마트그리드의 제어신호 보안
• 발전소, 교통 시스템 등 중요 인프라 제어 통신 보호

⑤ 기업 보안

• R&D 자료, 지적재산(IP) 보호
• 내부망에서의 고신뢰 VPN 구축

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4. QKD 기술의 한계와 발전 방향

항목 제한 요인 해결 기술

전송 거리	광손실, 디코히런스	양자 중계기, 위성 QKD
비용	단일광자 검출기, 전용 광소자	집적형 QPIC, CMOS 기반 ASIC
속도	키 생성률 한계	다중 채널 병렬화, 고속 LD/Modulator
상용화	기술 규격 미비	ITU-T Y.3800 시리즈 중심 국제표준화

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5. 대표 적용 사례

국가 프로젝트 주요 내용

중국	Micius 위성	세계 최초 위성기반 QKD (2016)
유럽	OpenQKD	유럽 전역의 QKD 테스트베드 구축
한국	SK텔레콤, ETRI	QKD 통신망 및 ISP용 백본 구축 시도
일본	NICT	양자인터넷 장거리 테스트망 실험

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요약

• QKD는 “양자 상태의 변화 불가역성”을 활용한 차세대 보안 핵심 기술입니다.
• 단순한 암호기술이 아닌, 통신 인프라 자체의 패러다임 전환을 요구합니다.
• 향후 6G, 양자인터넷, 국가안보 중심 기술로의 확장성이 높으며, ASIC 기반 저전력 QKD 칩(QPIC), 위성-QKD, 광역망 확장 기술이 핵심 진화 방향입니다.

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