디지털 통신이 가속화되고 사이버 위협이 계속 증가함에 따라 연구자들은 정보를 전송하는 보다 안전한 방법을 개발하기 위해 노력하고 있습니다. 가장 유망한 접근 방식 중 하나는 개별 광자를 사용하여 암호화 키를 생성하는 양자 암호화입니다. 바르샤바 대학교 물리학과 연구팀은 기존 도시 광섬유 네트워크 내에서 새로운 양자 키 분배(QKD) 시스템을 만들고 테스트했습니다. 그들의 접근 방식은 고차원 인코딩을 사용하며 Talbot 효과라는 잘 알려진 광학 현상을 기반으로 합니다. 연구 결과는 양자광학, 광학그리고 실제 검토 적용.
“우리 연구는 단일 광자를 사용하여 두 당사자 사이에 안전한 암호화 키를 설정하는 기술인 양자 키 분배(QKD)에 중점을 두고 있습니다.”라고 바르샤바 대학 물리학부 양자 포토닉스 연구소 소장인 Dr. Michał Karpiński는 말합니다. “전통적으로 QKD는 양자 정보의 가장 간단한 단위인 소위 큐비트를 사용합니다. 이 방법은 이미 잘 테스트되었지만 더 까다로운 응용 프로그램의 요구 사항을 항상 충족하는 것은 아닙니다. 이것이 바로 연구자들이 다차원 인코딩을 연구하는 이유입니다. 두 가지 측정 결과 중 하나를 생성하는 큐비트 대신 여러 값을 취할 수 있는 더 복잡한 양자 상태를 사용합니다.”
연구실에서 과학자들은 광자의 시간-빈 중첩을 연구합니다. 이러한 상태에서 광자는 단순히 “이른” 또는 “늦은” 도착으로 감지되는 것이 아니라 두 가지 가능성의 조합으로 존재합니다. 정확한 감지 시간은 무작위이며 정보는 이러한 광 펄스 간의 위상 관계로 인코딩됩니다.
Karpiński 박사는 “지금까지 더 이른 시간과 더 늦은 시간의 두 펄스의 중첩을 효율적으로 감지하는 것이 가능했습니다. 우리는 한 단계 더 나아갔습니다. 우리는 2개에서 4개 또는 그 이상에 이르는 더 많은 시간 구간이 있는 경우에 관심이 있습니다”라고 덧붙였습니다.
양자 통신에서 Talbot 효과 사용
연구팀은 1836년 Henry Fox Talbot이 처음으로 설명한 고전적인 광학 현상인 Talbot 효과에 주목했습니다.
“빛이 회절 격자를 통과할 때, 그 이미지는 마치 특정 거리에서 ‘부활’하는 것처럼 규칙적인 간격으로 반복됩니다. 흥미롭게도, 규칙적인 광 펄스열이 광섬유와 같은 분산 매체에서 전파된다면 동일한 효과가 공간뿐만 아니라 시간에서도 발생합니다.”라고 UW 물리학부 박사 과정 학생인 Maciej Ogrodnik은 설명합니다.
연구진은 이 효과를 단일 광자를 포함한 일련의 광 펄스에 적용함으로써 신호가 광섬유를 통해 이동하면서 시간이 지남에 따라 효과적으로 스스로 재구성될 수 있는 시스템을 만들었습니다. 이러한 펄스가 중첩되고 간섭하는 방식은 위상에 따라 달라지므로 다양한 양자 상태를 식별하고 측정할 수 있습니다.
“광학의 시공간 비유 덕분에 우리는 단일 광자를 포함한 짧은 광 펄스에 Talbot 효과를 적용할 수 있습니다. 이를 통해 양자 상태를 분석하고 처리하기 위한 새로운 기능을 얻을 수 있습니다. 우리의 경우, 일련의 광 펄스는 회절 격자처럼 작동하고 광섬유에서 일정 거리를 이동한 후 분산 상태에서 시간에 따라 ‘자기 재구성’할 수 있습니다. 또한 펄스가 간섭하는 방식은 위상에 따라 달라지므로 다양한 유형의 중첩을 감지할 수 있습니다.”
더욱 단순한 양자 키 분배 시스템 설계
연구진은 4차원에서 작동할 수 있는 실험적인 QKD 시스템을 구축했습니다.
“중요한 점은 전체 설정이 상업적으로 이용 가능한 구성 요소를 사용하여 구축되었다는 것입니다. 핵심 요령은 시스템이 많은 펄스의 중첩을 등록하기 위해 간섭계의 복잡한 네트워크 대신 단일 광자 검출기만 필요하다는 것입니다”라고 UW 물리학부 박사 과정 학생인 Adam Widomski는 말합니다.
이 설계는 비용과 기술 복잡성을 크게 줄여줍니다. 또한 기존 시스템에서 주요 과제였던 수신기를 자주 정밀하게 교정할 필요가 없습니다.
“전통적으로 펄스 간의 위상 차이를 감지하기 위해 우리는 펄스가 분할되고 지연되는 트리와 같은 다중 간섭계 설정을 사용합니다. 불행하게도 일부 측정 결과는 쓸모가 없기 때문에 이러한 시스템은 비효율적입니다. 효율성은 펄스 수에 따라 떨어지며 수신기에는 정밀한 교정 및 안정화가 필요합니다.”라고 Ogrodnik은 설명합니다.
“우리 방법의 장점은 모든 광자 감지 이벤트가 유용하기 때문에 효율성이 높다는 것입니다. 단점은 측정 오류율이 상대적으로 높다는 것입니다. 그러나 양자 암호화 이론을 연구하는 연구원들과 협력하여 보여준 것처럼 QKD를 방지하지 못합니다. 또한 서로 다른 차원의 중첩에 대한 설정을 다시 구축할 필요가 없습니다. 하드웨어를 변경하거나 수신기를 안정화하지 않고도 2D 및 4D 중첩을 감지할 수 있습니다. 이는 이전 방법에 비해 큰 장점입니다.”라고 Widomski는 덧붙입니다.
실제 테스트 및 보안 개선
이 시스템은 실험실 광섬유 설정과 바르샤바 대학의 기존 광섬유 네트워크에서 수 킬로미터에 걸쳐 테스트되었습니다.
“시간적 Talbot 효과를 사용하는 새로운 방법 덕분에 우리는 동일한 송신기와 수신기를 사용하여 2차원 및 4차원 인코딩으로 QKD를 성공적으로 시연했습니다. 단순한 실험적 접근 방식에 내재된 오류에도 불구하고 우리 결과는 고차원 인코딩으로 인해 시스템의 더 높은 정보 효율성을 확인시켜 줍니다.”라고 Widomski는 말합니다.
양자 키 분배는 특정 가정 하에서 입증 가능한 보안으로 인해 가치가 있습니다. 접근 방식의 견고성을 보장하기 위해 팀은 QKD 보안 분석을 전문으로 하는 이탈리아 및 독일 전문가와 협력했습니다.
Ogrodnik은 “자세히 분석해 보면 공격자가 악용할 수 있는 많은 QKD 프로토콜의 표준 설명이 불완전하다는 것을 보여줍니다. 불행하게도 우리의 방법은 이 취약점을 공유합니다. 우리는 이 문제를 해결하기 위한 노력에 참여했습니다. 우리 공동 작업자는 수신기의 특정 수정을 통해 더 많은 데이터를 수집하여 취약점을 제거할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 새로운 프로토콜의 보안 증거는 Physical Review Applied에 게시되었으며 최신 논문에서는 실험에 대한 적용에 대해 논의합니다.”라고 말했습니다.
양자 포토닉스 연구 발전
새로운 통신 방법을 시연하는 것 외에도 이 프로젝트는 바르샤바 대학의 첨단 양자 포토닉스에 대한 전문 지식을 강화했습니다.
이 작업은 국립과학센터(NCN, 폴란드)가 조정한 양자 기술에 관한 QuantERA 국제 프로그램에 따라 수행되었습니다. 연구원들은 또한 바르샤바 대학교 물리학부 국립 포토닉스 및 양자 기술 연구소(NLPQT) 시설을 사용했습니다.
출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/04/260401071933.htm
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