DTU의 연구원들은 연속 가변 양자 키 분배 (CV QKD)라고 불리는 방법을 사용하여 양자 보안 키를 성공적으로 분배했습니다. 연구원들은 그 방법이 CV QKD 방법을 사용하여 달성된 가장 긴 거리인 기록적인 100 km 거리에서 작동하도록 해냈습니다. 그 방법의 장점은 그것이 기존의 인터넷 기반시설에 적용될 수 있다는 것입니다.
현재 도청과 감시로부터 데이터 전송을 안전하게 보호하고 있는 기존의 알고리즘 기반 암호들은 양자 컴퓨터를 위협하고 있습니다. 아직 이를 깰 정도로 강력하지는 않지만, 시간 문제입니다. 양자 컴퓨터가 가장 안전한 알고리즘을 찾아내는 데 성공한다면, 인터넷을 통해 연결된 모든 데이터에 문을 열어놓게 됩니다. 이로써 양자물리학의 원리를 바탕으로 한 새로운 암호화 방법의 개발이 가속화되었습니다.
하지만 성공하기 위해서 연구자들은 양자역학의 도전들 중 하나인 더 먼 거리에서의 일관성을 보장하는 것을 극복해야 합니다. 연속 가변 양자 키 분배는 지금까지 단거리에서 가장 잘 작동했습니다.
“우리는 특히 그 과정에서 광자의 손실과 관련하여 광범위한 개선을 이루었습니다. 사이언스 어드밴스에 발표된 이 실험에서 우리는 광섬유 케이블을 통해 양자 암호화된 키를 100킬로미터 안전하게 배포했습니다. 이 방법은 기록적인 거리입니다.”라고 DTU의 연구원 그룹과 함께 인터넷을 통해 전 세계에 양자 암호화된 정보를 배포하는 것을 목표로 하는 DTU의 토비아스 게링 부교수는 말합니다.
빛의 양자 상태에서 나오는 비밀 키
“A에서 B로 데이터를 보내야 할 때는 보호해야 합니다. 암호화는 데이터를 보내는 사람과 받는 사람 사이에 분산된 보안 키와 결합하여 데이터에 접근할 수 있습니다. 제3자가 전송 중에 키를 알아낼 수 없어야 합니다. 그렇지 않으면 암호화가 손상됩니다. 따라서 데이터를 암호화하는 데 키 교환은 필수적입니다.
양자 키 분배 (QKD)는 연구자들이 중요한 교환을 위해 연구하고 있는 진보된 기술입니다. 그 기술은 광자라고 불리는 양자역학적 입자의 빛을 사용함으로써 암호키의 교환을 보장합니다.
송신자가 광자로 부호화된 정보를 보낼 때 광자의 양자역학적 성질을 이용하여 송신자와 수신자의 고유한 키를 만듭니다. 다른 사람들이 양자 상태의 광자를 측정하거나 관찰하려고 하면 그들의 상태가 순식간에 바뀔 것입니다. 따라서 빛을 측정하려면 신호를 교란시켜야 물리적으로 가능합니다.
“A4 시트의 사본을 만들 때처럼 양자 상태의 사본을 만드는 것은 불가능합니다. 시도한다면 열등한 사본이 될 것입니다. 그것은 키를 복사하는 것이 불가능하도록 보장합니다. 이것은 건강 기록과 금융 부문과 같은 중요한 사회 기반 시설을 해킹 당하지 않도록 보호할 수 있습니다.”라고 토비아스 게링(Tobias Gehring)은 설명합니다.
기존 인프라를 통해 작동
연속 가변 양자키 분배(CV QKD) 기술을 기존 인터넷 인프라에 통합할 수 있습니다.
“이 기술을 사용하면 광통신이 이미 의존하고 있는 것과 유사한 시스템을 구축할 수 있다는 장점이 있습니다.”
인터넷의 중추는 광통신입니다. 그것은 광섬유를 통해 작동하는 적외선을 통해 데이터를 전송함으로써 작동합니다. 그것들은 케이블에 깔린 라이트 가이드 역할을 하여 우리가 전 세계적으로 데이터를 보낼 수 있도록 보장합니다. 광섬유 케이블을 통해 데이터를 더 빠르고 더 먼 거리에 보낼 수 있으며, 라이트 신호는 간섭에 덜 취약하며, 이를 기술 용어로 노이즈라고 합니다.
“그것은 오랫동안 사용되어 온 표준 기술입니다. 따라서, 양자 키를 분배하는 데 사용할 수 있도록 새로운 것을 발명할 필요가 없으며, 그것은 구현을 훨씬 더 저렴하게 만들 수 있습니다. 그리고 우리는 실온에서 작동할 수 있습니다”라고 토비아스 게링(Tobias Gehring)은 덧붙입니다:
“하지만 CV QKD 기술은 더 짧은 거리에서 가장 잘 작동합니다. 우리의 과제는 거리를 늘리는 것입니다. 그리고 100 킬로미터는 올바른 방향으로 가는 큰 발걸음입니다.”
기계학습의 소음, 오류 및 지원
연구원들은 양자 암호화된 키를 더 먼 거리에서 교환하는 시스템을 제한하는 세 가지 요소를 해결함으로써 거리를 늘리는 데 성공했습니다:
기계 학습은 시스템에 영향을 미치는 교란에 대한 이전의 측정을 제공했습니다. 이러한 교란을 예를 들어, 전송되는 양자 상태를 왜곡하거나 파괴할 수 있는 전자기 방사선에서 노이즈가 발생할 수 있습니다. 노이즈를 더 일찍 감지함으로써 해당 효과를 더 효과적으로 줄일 수 있었습니다.
게다가 연구원들은 소음, 간섭 또는 하드웨어의 불완전성으로 인해 발생할 수 있는 오류를 수정하는 데 더 능숙해졌습니다.
“우리의 다가오는 작업에서, 우리는 덴마크 부처들 간의 안전한 통신 네트워크를 구축하기 위해 그들의 통신을 안전하게 하기 위해 그 기술을 사용할 것입니다. 우리는 또한 두 도시에 지사를 둔 회사들이 양자 안전한 통신을 구축할 수 있도록 예를 들어, 코펜하겐과 오덴스 사이에 비밀 키를 생성하려고 시도할 것입니다.”라고 토비아스 게링이 말합니다.
사실:
우리는 아직 정확히 무슨 일이 일어나는지 모릅니다.
퀀텀키 디스트리뷰션은 베넷과 브래사드가 1984년에 개념으로 개발했고, 캐나다의 물리학자이자 컴퓨터의 선구자인 아르투르 에커트와 그의 동료들은 1992년에 QKD의 최초의 실용적인 구현을 수행했습니다. 그들의 기여는 기기가 작업을 수행하는 방법을 결정하는 일련의 규칙, 절차 또는 규칙인 현대적인 QKD 프로토콜을 개발하는 데 매우 중요했습니다.
양자 키 분배는 양자 상태에서 광자를 복사할 때 근본적인 불확실성에 기초합니다. 광자는 빛이 구성하는 양자역학적 입자입니다.
양자 상태의 광자는 근본적인 불확실성을 지니고 있는데, 이는 광자가 주어진 상태에서 수집된 하나의 광자인지, 아니면 여러 개의 광자인지를 확실하게 알 수 없다는 것을 의미합니다. 이는 해커가 광자의 수를 측정하지 못하게 하여 상태를 정확하게 복사하는 것을 불가능하게 만듭니다.
또한 광자는 동시에 여러 상태에 있기 때문에 기본적인 무작위성을 지니기도 합니다. 측정이 이루어지면 광자의 중첩은 무작위한 상태로 붕괴됩니다. 이 때문에 중첩 상태에서는 광자가 어느 단계에 있는지 정확하게 측정할 수 없습니다.
이 경우 해커가 오류를 일으키지 않고 키를 복사하는 것은 거의 불가능하며, 시스템은 해커가 침입하려고 하는지 알고 즉시 종료할 수 있습니다. 즉, 해커가 먼저 키를 훔친 다음 열쇠를 자물쇠에 넣으려고 할 때 문이 잠기는 것을 피할 수 없게 됩니다.
연속 가변 양자 키 분포(CV QKD)는 광자에서 양자 상태의 매끄러운 특성을 측정하는 데 중점을 둡니다. 각 색상에서 단계별로 정보를 전달하는 것이 아니라 모든 색상의 뉘앙스로 정보를 전달하는 것과 비교할 수 있습니다.
사실:
이 프로젝트는 덴마크 혁신 기금, 덴마크 국립 연구 재단, 유럽 연합의 호라이즌 유럽 연구 및 혁신 프로그램, 칼스버그 재단, 체코 과학 재단 등이 지원합니다.
이 연구 그룹은 Adnan A.E. Hajomer, Nitin Jain, Hou-Man Chin, Ivan Derkach, Ulrik L. Andersen, 그리고 Tobias Gehring으로 구성되어 있습니다.
덴마크 양자 통신 인프라(QCI.DK)는 실제 양자 키 분배 애플리케이션을 지원하는 다목적 네트워크에 덴마크 양자 통신 기술을 최초로 배포하는 것을 목표로 합니다.