우주기반 QKD(Quantum Key Distiribution)

우주 기반 양자 키 분배(Space-Based Quantum Key Distribution, QKD)의 방식은 양자역학의 원리를 이용해 절대적으로 안전한 암호 키를 지구의 두 지점 간에 전송하는 기술입니다. 주로 위성을 이용하여 지상국 간 양자 키를 분배하는 방식이며, 크게 다음과 같은 방식들이 존재합니다.

1. 우주 기반 QKD의 주요 방식

(1) 위성-지상국 QKD (Satellite-to-Ground QKD)
위성에서 지상국으로 양자 키 전송, 단방향 방식 (위성 → 지상국)
위성에 탑재된 양자 광원(Quantum Light Source)이 지상국으로 편광된 광자(Photon)를 전송하고, 지상국에서 양자 상태를 측정하여 암호 키를 생성 (예시: 중국의 ‘미시우스(Micius)’ 위성이 2017년 세계 최초로 성공한 방식)

• 장점: 비교적 간단한 구조, 낮은 지구 대기 영향을 받을 수 있음
• 단점: 단방향 키 전송만 가능 (쌍방향 암호화 구축 어려움)

(2) 위성-위성 QKD (Satellite-to-Satellite QKD)
저궤도(LEO) 위성 간 양자 키 분배
위성 간  자유 공간 광통신(FSO, Free Space Optics)을 통해 광자를 교환
광섬유 없이 전 지구적 규모에서 지속적인 양자 키 분배 가능
2021년 중국이 LEO 위성 간 QKD 실험 성공

• 장점: 글로벌 양자 통신망 구축 가능, 지구 대기의 영향을 받지 않음
• 단점: 위성 간 정밀한 광자 전송 기술 필요, 높은 정렬 유지 기술 요구

(3) 지상국-위성-지상국 QKD (Ground-to-Satellite-to-Ground QKD)
위성을 중계기 역할로 사용하여 두 개의 지상국 간 양자 키 공유
중국이 오스트리아와 양자 암호 키를 공유하는 실험을 수행 (2017년)

• 장점: 지상국 간 직접 연결이 필요 없음, 장거리 양자 키 공유 가능
• 단점: 위성의 메모리 및 광자 손실 문제

(4) 위성-양자 중계기-지상국 QKD (Satellite-to-Quantum Repeater-to-Ground)
양자 중계기(Quantum Repeater)를 이용한 확장형 QKD
양자 얽힘을 이용하여 광섬유 네트워크 또는 다른 위성 시스템과 연계
실험 단계이며, 양자 인터넷(Quantum Internet)의 핵심 기술로 연구 중

• 장점: 지구 전체를 연결하는 광역 양자 통신망 구축 가능
• 단점: 아직 실용화되지 않음, 양자 중계기의 높은 기술적 난이도

(3) 지상국-위성-지상국 QKD (Ground-to-Satellite-to-Ground QKD)
위성을 중계기 역할로 사용하여 두 개의 지상국 간 양자 키 공유
중국이 오스트리아와 양자 암호 키를 공유하는 실험을 수행 (2017년)

• 편광 기반 양자 키 분배 – 광자의 편광 상태를 이용해 키 분배
• 양자 얽힘 기반 QKD – 얽힘된 광자를 이용하여 양자 상태 공유
• 자유 공간 광통신(FSO) – 우주 환경에서 광자를 손실 없이 전달하는 기술
• 양자 중계기(Quantum Repeater) – 양자 정보를 보존하고 증폭하는 장치

3. 주요 프로젝트 및 실험

• 중국 ‘미시우스(Micius)’ 위성 (2016년 발사) – 세계 최초 위성 기반 QKD 실험 성공
• 유럽 ‘QUARTZ 프로젝트’ – 위성을 활용한 유럽 양자 통신망 구축 연구
• NASA ‘QComm 프로젝트’ – 미국의 양자 인터넷 기반 연구 진행

4. 우주 기반 QKD를 활용한 사용자 관점 유스케이스 시나리오

우주 기반 양자 키 분배(QKD)는 초고보안 통신이 필요한 다양한 사용자(정부, 군, 금융기관, 기업 등)에게 활용될 수 있습니다.

(1) 정부 기관 – 글로벌 외교 및 국방 기밀 통신

• 한국과 미국 정부는 기밀 외교 문서 및 군사 협약을 송수신해야 함.
• 기존 암호 방식은 해킹 위험이 있으므로, 우주 기반 QKD 위성을 이용한 양자 암호화 통신을 사용.
• 대한민국 외교부와 미국 국무부 간에 양자 키를 분배하여 도청 불가능한 채널을 개설.
• 외교 협상 중 위성을 통한 실시간 암호화 화상회의를 진행.

(2) 군사 작전 – 실시간 보안 네트워크 구축

• 다국적 연합군이 사이버전 및 실제 전장에서 암호화된 작전 계획을 공유해야 함.
• 적국의 전자전 및 도청 위협이 높은 상황에서, 위성을 통한 양자 키 분배(QKD) 네트워크를 이용.
• 무인 항공기(UAV), 해군 함정, 지상 부대 간에 암호화된 작전 지시를 전송.
• 위성이 지속적으로 각 부대에 새로운 양자 키를 분배하여 보안성 유지.
• 효과: 적국의 사이버 공격에도 안전한 통신 유지, 작전 성공률 증가.

(3) 글로벌 금융기관 – 초보안 금융 데이터 전송

• 글로벌 은행이 국가 간 대규모 금융 거래를 처리해야 함.
• 기존 암호화 시스템은 양자 컴퓨팅 해킹 가능성이 높아지면서 안전성 문제 발생.
• 은행 본사(뉴욕)와 지점(홍콩, 런던, 서울) 간 우주 기반 QKD를 통해 암호 키를 분배하여 해킹 방지.
• 고객 정보, 송금 데이터, 투자 보고서 등 초기 양자 키를 이용한 완전한 보안 통신망을 구축.
• 효과: 금융 해킹 및 도청 차단, 전 세계 금융 네트워크의 보안 강화.

(4) 다국적 기업 – 글로벌 R&D 협업 보안 강화

• AI 및 반도체 연구를 수행하는 글로벌 기업(삼성, 인텔, TSMC)이 연구 개발 데이터를 보안 공유해야 함.
• 기존 네트워크는 사이버 공격에 취약하므로, 우주 기반 QKD를 이용한 양자 암호화 파일 공유 시스템을 구축.
• 각국 R&D 센터(한국, 미국, 대만, 일본)에서 공동 연구 데이터를 양자 키를 통해 암호화하여 송수신.
• 효과: 산업 스파이 및 경쟁사의 해킹을 원천 차단.

(5) 의료 및 스마트 헬스케어 – 환자 데이터 보안 보호

• 글로벌 의료 기업이 국경을 넘는 원격 의료 데이터 공유를 수행해야 함.
• 환자의 유전자 정보, 진료 기록, 원격 수술 데이터를 해킹 없이 송수신할 필요가 있음.
• 우주 기반 QKD 네트워크를 통해 원격 수술 로봇 및 의료 AI 서버 간 보안 통신을 제공.
• 유럽, 아시아, 미국 병원 간 환자 정보 및 연구 데이터를 안전하게 공유.
• 효과: 의료 데이터 보호, 원격 수술의 신뢰성 및 보안 강화.

(6) 자율주행 및 미래 모빌리티 – 보안 차량 네트워크

• 미래의 자율주행 자동차 및 드론 배송 네트워크는 실시간 통신이 필수.
• 해킹 위험이 높은 5G/6G 네트워크를 대신해 우주 기반 QKD를 통한 차량 간 보안 통신망 구축.
• 자율주행차, 도로 인프라, 교통 관제 센터 간 QKD를 활용한 암호화된 통신.
• 효과: 자율주행 해킹 방지, 차량 및 도로 네트워크 보안 유지.

(7) 블록체인 & 암호화폐 – 양자 해킹 방지

• 암호화폐 거래소 및 블록체인 네트워크는 양자 컴퓨터 해킹 위협에 취약.
• 우주 기반 QKD를 이용해 블록체인 노드 간 보안 채널 구축.
• 암호화폐 거래소, 은행, 개인 지갑 간 해킹이 불가능한 양자 암호화된 트랜잭션 보안 적용.
• 효과: 양자 컴퓨터 공격으로부터 암호화폐 보안 유지.