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"양자암호통신의 핵심은 '단일 광자'…생성효율 높인다"

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"양자암호통신의 핵심은 '단일 광자'…생성효율 높인다"

2020.05.21 15:33

박홍규 고려대 교수 21일 과학기자협회∙Y-KAST 조찬포럼서 주제발표

박홍규 고려대 물리학과 교수는 21일 서울 중구 HJ비즈니스센터에서 열린 ‘한국과학기자협회∙Y-KAST 조찬포럼’에서 ‘단일광자원을 이용한 양자암호통신’을 주제로 발표에 나섰다. 고재원 기자 jawon1212@donga.com

박홍규 고려대 물리학과 교수는 21일 서울 중구 HJ비즈니스센터에서 열린 ‘한국과학기자협회∙Y-KAST 조찬포럼’에서 ‘단일광자원을 이용한 양자암호통신’을 주제로 발표에 나섰다. 고재원 기자 jawon1212@donga.com

동전에는 앞면과 뒷면 두 개의 면이 있다. 동전을 던져 어떤 면이 나오는 지 따지게 되면 4가지 경우의 수가 나온다. 먼저 던진 동전과 뒤에 던진 동전이 서로 독립적 사건이기 때문이다. 먼저 던진 동전이 어떤 면이 나왔느냐가 뒤에 던지는 동전에 영향을 미치지 않는다. 양자역학에서는 이야기가 좀 다르다. 동전 두 개가 얽혀 있다. 먼저 던지는 동전이 앞이 나오면 뒤에 던지는 동전도 앞이 나오게 할 수 있다. 동전 간 거리가 멀어져도 반대쪽 동전이 어떤 면이 나왔는 지 알 수 있다. 도청이 불가능한 궁극의 통신기술인 양자암호통신은 이런 ‘양자얽힘 성질’을 이용한다.


박홍규 고려대 물리학과 교수는 21일 서울 중구 HJ비즈니스센터에서 열린 ‘한국과학기자협회∙Y-KAST 조찬포럼’에서 “양자암호통신은 절대 도청이 불가능한 안전한 기술”이라며 “누군가 도청을 하면 도청을 당했는 지까지 알 수 있다”고 말했다.


박 교수는 양자암호 통신에서 도청이 불가능한 이유에 대해 설명했다. 그는 “양자화 되어있는 암호를 외부에서 한번이라도 도청하면 0과 1의 값을 동시에 취하고 있던 양자가 0이나 1의 상태로 변해 도청자가 정확한 정보를 얻을 수 없다”며 “또 양자를 하나만 보내 통신을 하기 때문에 양자의 일부를 수집해 도청하는 것 조차 불가능하다”고 말했다. 


이런 보안성 때문에 미국과 중국 유럽연합(EU), 영국, 호주 등 국가들이 양자암호통신에 많은 투자를 하고 있다. 미국의 경우 국가양자정보과학비전을 2008년 수립해 연 1조원 규모의 지원을 하고 있다. 중국은 2012년 양자 나노기술 분야 투자계획을 발표하며 5년간 2900억원을 투자한다고 밝혔다. 이외에 EU는 연 525억원, 호주는 연 260억원을 투입하고 있는 것으로 확인됐다. 한국도 지난 2014년 양자정보통신 중장기 추진전략을 수립해 양자암호통신에 3년간 약 100억원을 투자했다. 시장조사업체 마켓리서치에 따르면 2025년 전 세계 양자암호시장이 약 9조원에 이를 것으로 예상되고 있다. 

 

21일 서울 중구 HJ비즈니스센터에서 열린 ‘한국과학기자협회∙Y-KAST 조찬포럼’이 진행되고 있다. 고재원 기자 jawon1212@donga.com
21일 서울 중구 HJ비즈니스센터에서 열린 ‘한국과학기자협회∙Y-KAST 조찬포럼’이 진행되고 있다. 고재원 기자 jawon1212@donga.com

문제는 양자를 어떻게 하나의 빛 알갱이를 뜻하는 ‘광자’로 만드냐는 것이다. 박 교수는 “단일광자원은 양자 통신기술과 양자 정보 처리에 쓰이는 핵심 기본 소자로 광자를 방출한다”며 “양자암호 기술을 활용하기 위해서는 하나의 광자를 방출하고 이 광자를 제어하는 기술이 필수적”이라고 말했다. 


박 교수는 “현재 개발된 양자암호기술에 쓰이는 광자는 근사적으로 생성되는 수준에 머물러 있다”며 “레이저를 굉장히 약하게 쏴 여러 시도 끝에 대충 단일광자 하나는 나오겠거니 하는 방식”이라고 설명했다. 그러면서 “레이저를 쐈을 때 약 40% 경우만 단일 광자가 나온다”며 “이럴 경우 정보를 받는 입장에서는 광자원이 문제인 건지 정보가 도청이 된건 지 구분하기 힘들다”고 덧붙였다.  


단일광자를 만드는 원료로 금이나 은, 다이아몬드과 같은 비싼 물질들이 연구에 쓰이고 있다. 금이나 은, 다이아몬드에 생긴 결점이 단일 광자원의 중심이 된다. 하지만 딱딱해 가공하기가 힘들어 최근에는 신소재인 ‘전이금속칼코젠’이 원료로 쓰이기도 한다. 전이금속칼코젠은 반도체와 금속 상태를 오가는 소재로 그래핀과 비슷하다는 게 박 교수의 설명이다. 


박 교수는 현재 단일광자 생성 효율을 높이기 위한 연구를 진행하고 있다. 박 교수는 “전기를 이용해 단일광자가 1초마다 나오는 수준으로 효율을 끌어올려야 한다”며 “단일광자가 광섬유를 자유롭게 이동할 수 있게 하는 연구도 필요하다”고 말했다. 그러면서 “현재 전세계적으로 관련 연구가 진행되고 있다”며 “양자암호통신을 위해 이런 단일광자원의 개발이 필수적”이라고 덧붙였다. 
 

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