5 양자키분배표준화이슈 개요 o 양자키분배 (QKD, Quantum Key Distribution) : 양자역학을활용한안전성이 보장된암호통신기술로두개의양자 ( 광자 ) 만이공유하는임의의암호키를 만들어낼수있고, 이를이용하여암호또는해독을수행. o 양자키분배 (QKD) 의필요성 - 통신환경의다변화 군사, 기관, 기업, 금융등의네트워크가일반개인네트워크와연결되어있어다양한경로를통해중요정보들이누출될가능성이높음. 모든고전정보들은근본적으로가독성 ( 해킹가능성 ) 을지님. 비밀키의생성, 분배, 관리가정보보호의가장중요한요소임. - 차세대컴퓨터의급격한발전 정보매체의물리적특성을고려한차세대컴퓨팅기술의발전. 양자컴퓨터는 10~15년내에가시적개발성과가예상됨. 소인수분해, 이산로그기반암호의안전성은모두파괴됨. 대체암호기술개발불가피. - 무조건적안전성을보장하는양자암호통신. 양자키분배 (QKD) 를이용한안전성이보장된암호통신가능. 유무선네트워크상에서의비밀키생성 / 분배가가능. o 양자키분배 (QKD) 에대한세부사항을살펴보면, - 절대적보안성 (Unconditional Security) 단광자큐빗 (single photon qubit) 사용 : 연속된광신호가아닌단일광자신호를큐빗즉, 처리가능한양자상태로이용 사용하고광섬유또는자유공간 ( 지상 / 위성 ) 광자전송 양자역학적물리적성질로인하여도감청불가 - 양자역학적성질 양자상태측정에의한양자상태소멸성 ( 단광자는오직한번의측정만가능 ) 양자상태의중첩성 (superposition state) - 1 -
1 순수양자상태 항상일정한측정결과 2 중첩된양자상태 순수상태의확률적중첩으로측정결과는확률적결과를보임 양자상태의복제불가성 (No Cloning) - 사용프로토콜 : BB84 protocol, E91 protocal 양자역학적원리에의해안전한암호키생성및분배 근본적으로도 / 감청이불가능함 OTP를이용한모든대칭키암호 / 통신분야에적용가능 - 유스케이스 (Use Cases) 기본 QKD 연결도 QKD 시스템의내부인터페이스및연결도 - 광자의편광상태코딩을통한광자키를생성하여송 / 수신부에서의 basis 교화및 shifting, 에러율계산, raw key 생성을한후, 후처리를통하여에러정정 (reconciliation), 비밀성증폭 (privacy amplification) 을하여단일광자신호의송수신을처리함. 보안성유지를위해송 / 수신부상호간의연속적인인증을통해생성된양자키의일부를갱신하여재사용함. - 2 -
현황 o 기술개발현황 - ( 국외 ) 미국은정부의연간 1 천억원투자및연방정부차원의비전을 선포하였으며양자정보통신을 5 대중점연구분야선정. 또한, 양자정보통신을 5 대중점연구분야선정 년도기술현황로스알라모스국립연구소 (LANL : Los Alamos National Laboratory) 에서는 2000 48km거리의광통신양자암호시스템구현을성공 위성과기지국사이 ( 자유공간상, 10km) 양자암호전송실험결과를발표미국스탠포드대학과일본의 NTT는 105km의거리에서양자암호통신전송실 험을성공미국의 CIA, NAS, NASA, ARDA등의국가기관을중심으로공개 / 비공개연구 가진행되고있으며, ARDA의경우 년부터양자정보과학분야를 5대중점연구분야로꼽아기술개발에박차를가하고있음기업연구소같은경우에는 IBM, HP, Bell 연구소가대표적이며, MIT, ~ Stanford, Caltech등의대학에서도많은연구결과들이발표되고있으며, 2012년 2014 이후의로드맵은비공개상태이고, 현재 IARPA (Intelligence Advanced Research Projects Activity) 주도로진행중 - 유럽연합 (EU) 는양자정보통신관련연구개발투자는 FP7(7th Framework Programme for Research Technological Development) 의 FET(Future and Emerging Technologies) 에서집중적으로추진. 유럽에서양자정보통신관련연구개발투자는 FP7(7th Framework Programme for Research Technological Development) 의 FET(Future and Emerging Technologies) 에서집중적으로추진. 그의아래프로젝트로서 QUIE2T(Quantum Information ENtanglement- Enabled Technologies)[34] 는 2010 년 2 월부터연간 1,500 만유로 ( 총 4,500 만유로 ) 규모의양자정보통신관련 R&D 투자를실시. 년도기술현황스위스제네바대학에서양자암호시스템의안정성을제고시키고자위상및편광 1997 보전시스템을제안해실용화가능성을보여줌제네바와 67km 떨어진 Lausanne 지역내에광통신시스템을이용해양자암호키분배기술을시연하였으며, 이연구그룹에서는 id-quantique, a Gap 2002 spin-off company 등의벤처기업을설립하여난수생산기와양자암호키분배시스템을상용화 2009 유럽의약 40개연구그룹이공동참여한 SECOQC 프로젝트의연구결과가발표오스트리아의 IQOQI(Institute for Quantum Optics and Quantum Information) 2012 그룹에서는카나리아제도섬내의 143km 떨어진라팔마와테레페네사이에양자를순간이동 (Teleportation) 시킨결과를발표하였음독일에서는기지국과비행기 (Aircraft) 간의자유공간양자암호통신기술을 2013 발표 [33] 하였는데, 이는광섬유를이용한통신이갖는거리제한요소에대해좀더유연하게대체함과동시에노드의이동성 (Mobility) 까지확보할수있음 - 3 -
- 중국은중장기과학기술발전계획에양자통신기술포함하였으며, 정부 및민간네트워크에양자암호통신구축 (2000km 급 ) 함. 2016 년까지 QKD 를위한 위성발사계획수립하였음. 년도 2011 기술현황국가프로젝트의일환으로양자암호시스템개발시작양자암호화망통신실험을활발하게진행하고있으며, 베이징-텐진간의 125km 광섬유통신망을이용한양자암호통신네트워크를구성중국과학기술대학 (University of Science and Technology of China) 에서양자암호통신네트워크를구성한결과를발표 0~60km 떨어진다양한거리에서 5개의노드끼리보안성높은통신을하여암호키를성공적으로생성하였음 - 일본은정보통신연구기구 (NICT) 주도프로젝트운영되고있으며, 상용화장비 개발및 NTT 의 2014 년상용화목표. 년도 기술현황 2000 2월부터우정성을중심으로 양자역학적효과를정보통신기술에어떻게적용할것인가 에대한연구를진행 2001 총부성의정책으로양자정보통신기술의연구개발을시작 2003 미쓰비시, NEC, 도시바에서공동으로광섬유를이용한양자암호전달실험 (87km) 을성공 2004 NEC는 150km의거리를달성하는결과를발표동경대연구팀은 3자간양자원격이동실험을세계최초로성공 국가적으로 AIST(The National Institute of Advanced Industrial Science and Technology) 에양자기술센터를구축해양자암호통신시스템개발을주도 일본 NTT와교토대학이협력하여공동으로양자얽힘을이용한내결성오류정 2010 정기술을개발하였고, 양자정보통신관련로드맵은 NICT(National Institute of Information and Technology) 에서주관하여발표및기술개발추진중 일본 NICT의 QICT 그룹은 NEC, 미쓰비시, NTT 등기업체와공동으로양자암호 네트워크인 도쿄QKD 네트워크 시범사업을실시 2011 4개의위치에서 6개의노드를구성하여 10~90km의다양한거리에서양자암호통 신을성공적으로구현하였고, 50km에서 100kbps급의성능을보여보안이강한 화상통신까지데모시연 ~ 2020 주로광케이블을이용한양자암호통신을상용화하기위한실용기술개발을진행 ~ 2040 케이블과자유공간 ( 인공위성간, 인공위성과대지간 ) 통신네트워크구축을목표로설정한상태 - 4 -
( 그림 ) 일본국립정보통신기술 NICT 로드맵 - ( 국내 ) 정부연간투자액 20 억원내외이며, 국가적차원의연구주도가 필요하며장기적로드맵및전략필요. 년도기술현황한국전자통신연구원 (ETRI) 과고등과학원 (KIAS) 이양자암호키분배와관련하여공동연 구를수행하여 25Km 양자암호키전송에성공하였음한국과학기술원에서양자암호통신시스템을구현해 100km 전송에성공한결과를 2008 발표함인하대광양자정보처리연구단은한계로인식되던양자의저장시간을늘릴수있는 2009 기술을개발하여장거리양자통신을가능케하는장시간양자메모리프로토콜을세계최초로개발양자의소음문제를해결하여, 2012년양자소음을제거하면서양자메모리저장시간 2011 을늘릴수있는프로토콜을제안하여장거리양자통신실현가능성을앞당기는데에힘쓰고있음 2012 한국과학연구원나노양자정보연구센터신설, SKT 퀀텀연구소설립한국과학기술원 PON 환경 QKD 기술개발과제착수, 동시에한국과학연구언 (KIST) 백본망 QKD 기술개발과제착수 2014 국가별양자관련연구소는세계 269개로나타나며, 국내는불과 4곳에불과한것으로조사됨. o 표준화현황 - ( 국외 ) 유럽 12개국, 40여개의기관, 대학, 기업이참여한 SECOQC QKD network Project를통해 2008년부터유럽표준화기구인 ETSI 산하 Industry Specification Group에신설된 QKD 담당부서가표준화작업을진행하고있음. - 5 -
QKD Components and Internal Interface (GS QKD 003) QKD Security Proofs (GS QKD 005) QKD Module Security Specification (GS QKD 008) QKD Application Interface (GS QKD 004) QKD Use Cases (GS QKD 002) - ( 국내 ) 퀀텀정보통신기술의국내외표준화활동추진을위해 2013년 5월퀀텀포럼설립. - 10월퀀텀정보통신연구조합창설. - 미래창조과학부에서통신장비적용을위한양자이론기반퀀텀리피터기술연구와양자암호통신네트워크구축을위한요소기술개발, 양자통신을위한기반기술연구를고도화한다는계획을발표한상황. - 국내양자암호통신표준화는차후진행예정. 주요이슈및대응방안 o ( 주요이슈 ) - 양자암호초기시장창출 - 중장기로드맵제시 - 국내양자암호통신 (QKD) 표준화진행예정 o ( 현황 ) 국내추진로드맵 ( 그림 ) 국내추진로드맵 - 6 -
o ( 대응방안 ) - 포럼활동 : ETSI 중심의외국표준화활동모니터링및기술표준참여, 국내표준화활동지원. - 정부 : 중장기적로드맵제시및양자암호시범망구축등초기시장형성에적극지원및관련기업의시창참여유도. - 산업계 : 양자암호통신장비개발및핵심기술도입하여외국과의기술격차최소화및세계시장공략을위한후속기술개발. - 7 -