단일모드 광섬유 기반 양자키 분배 네트워크

초록

본 논문은 25 km 단일모드 광섬유를 이용해 향상된 BB84 프로토콜을 구현하고, 원시키 전송률과 양자 비트 오류율(QBER)을 측정하였다. 실험 결과를 토대로 대규모 QKD 네트워크 설계 방안을 제시하고, 기존 클래식 통신망과의 통합 아이디어를 논의한다.

상세 분석

본 연구는 현재 상용 광통신 인프라에 양자키 분배(QKD)를 적용하기 위한 실험적 기반을 제공한다. 실험 장치는 1550 nm 파장의 레이저를 사용해 위상 및 편광을 조절한 후, 양자 비트를 인코딩하는 변조기와 25 km 길이의 단일모드 광섬유(SMF)를 연결하였다. 수신 측에서는 싱글포톤 검출기(SPD)를 냉각하여 다크 카운트를 최소화하고, 타임-투-디지털 변환기(TDC)를 통해 정확한 동기화를 구현하였다. 프로토콜은 전통적인 BB84를 기반으로 하지만, 다중 레벨 디코딩과 오류 보정 단계에서 LDPC 코드를 적용해 효율을 높인 ‘향상된 BB84’ 형태를 채택하였다. 실험 결과, 평균 원시키 전송률은 약 1.2 Mbps였으며, QBER은 2.3 % 수준으로 유지되었다. 이는 25 km 거리에서도 실용적인 보안 수준을 확보할 수 있음을 의미한다. 오류 원인으로는 광섬유 손실(≈0.2 dB/km), 편광 모드 디스퍼전(PMD), 그리고 검출기의 다크 카운트가 주요 요인으로 분석되었다. 또한, 온도 변동에 따른 파장 드리프트가 QBER 상승에 기여함을 확인하고, 파장 안정화 루프를 추가하면 오류를 0.5 % 이하로 낮출 수 있음을 제시한다. 네트워크 설계 부분에서는 다중 사용자 환경을 고려해 트리형 토폴로지를 제안하고, 각 노드에 키 관리 서버(KMS)를 두어 키 교환 및 재분배를 중앙집중식으로 수행한다. 이때, 양자 채널과 클래식 채널을 동일 광섬유에 파장 다중화(WDM) 방식으로 공존시켜 비용을 절감한다. 또한, 양자 인증(QA)과 포스트-양자 암호(PQC) 알고리즘을 병행 적용함으로써 양자 공격뿐 아니라 기존 암호 해독 위협에도 대비한다. 전체적으로 본 논문은 실험적 데이터와 이론적 설계를 결합해, 현재 광통신 인프라에 QKD를 통합하는 실현 가능한 로드맵을 제공한다.