고속 위상 인코딩 양자 직접 통신, 11.4km 이종 자유공간·광섬유 연계 실현

초록

본 연구는 도심 1.4 km 자유공간 채널과 10 km 광섬유를 연계한 11.4 km 하이브리드 양자 통신 시스템을 구현한다. 1.25 GHz 위상 인코딩 펄스를 사용해 99 % 수준의 간섭 가시도와 평균 2.38 %의 QBER를 달성했으며, 1시간 이상 안정적으로 동작한다. 실시간 위상 보상 기법과 대역폭 확산 코딩을 통해 대기 난류에 의한 위상 드리프트를 억제하고, 시뮬레이션으로 30 km 이상 자유공간 전송 가능성을 제시한다.

상세 분석

이 논문은 기존에 자유공간 양자 통신에서 주로 사용되던 편광 인코딩의 한계를 넘어, 위상 인코딩을 실제 대기 환경에 적용한 최초 사례라 할 수 있다. 핵심은 1.25 GHz 레이저와 50 ps 펄스를 이용해 약한 코히런트 광자를 생성하고, Faraday‑Sagnac‑Michelson 인터페로미터와 두 개의 위상 변조기를 조합해 {0, π/2, π, 3π/2} 네 단계 위상을 랜덤하게 부여한다는 점이다. 이렇게 생성된 네 위상 상태는 400 ps 간격으로 시간 분할 다중화(WDM)되어 전송되며, 각각의 펄스는 동일한 대기 흐름을 거의 동시에 통과한다. 따라서 대기 난류가 0.01–0.1 s 정도의 시간 스케일로 변동하더라도, 인접 펄스 사이의 위상 차이는 거의 일정하게 유지된다.

실험에서는 120 mm 입구 구경, 27.1배 확대율의 수동식 망원경을 통해 자유공간 수신 광을 단일 모드 섬유에 직접 결합했으며, 결합 효율을 높이기 위해 트리플렛 콜리메이터와 적응 광학을 활용하였다. 수신 측에서는 1.25 GHz 동작 가능한 InGaAs/InP 싱글 포톤 검출기를 사용해 20 %의 검출 효율과 10⁻⁶ cps 수준의 다크 카운트를 기록했다. 전체 시스템 손실은 수신단에서 6.5 dB였으며, 프레임당 125 바이트, 스프레딩 비율 1:1920을 적용해 채널 손실 변동에 대한 복원력을 확보했다.

위상 보상은 실시간 간섭 가시도 측정을 통해 수행된다. 검출된 가시도에서 이상적인 위상 차이를 추정하고, 그 차이를 전압 오프셋으로 변환해 위상 변조기에 피드백한다. 이 피드백 루프는 0.01 s 이하의 응답 속도로 동작해, 대기 난류에 의해 발생하는 서서히 변하는 위상 드리프트를 효과적으로 상쇄한다. 결과적으로 1시간 연속 운용 동안 평균 가시도 99.07 %와 QBER 2.38 %를 유지했으며, 일시적인 QBER 급등 구간에서도 보상 메커니즘이 즉시 작동해 시스템 복구가 가능했다.

프로토콜 측면에서는 STIKE(동시 전송 정보·키 교환) 방식을 채택해, 양자 비트 오류율이 임계값 이하일 경우 바로 양자 직접 통신(quasi‑QSDC)과 양자 키 분배(QKD)를 동시에 수행한다. 키 재활용 효율은 99.9 % 이상으로, 이론적 식 1 − Qμ/2와 거의 일치한다. 통신 속도는 4.22 kbps(첫 날 3.90 kbps)이며, 이는 기존 자유공간 QSDC(수십 m·수백 bps 수준) 대비 8배 이상, 거리도 140배 이상 확장된 결과이다.

시뮬레이션에서는 자유공간 거리 30 km, 위성‑지상 링크를 가정한 경우 검출 효율 80 %와 1 m 구경 망원경을 적용했을 때도 QBER 5 % 이하, 키 생성률이 소비율을 초과하는 조건을 만족함을 보여, 위상 인코딩이 장거리 위성 양자 통신에 충분히 적용 가능함을 시사한다.

결론적으로, 위상 인코딩은 대기 난류와 채널 손실 변동을 실시간 보상과 광학 결합 최적화를 통해 극복할 수 있으며, 기존 편광 기반 자유공간 시스템보다 장비 통합성, 비용 효율성, 그리고 광섬유와의 이종 연계 측면에서 큰 장점을 제공한다. 이는 차세대 양자 인터넷, 특히 위성‑지상 복합 네트워크 구축에 핵심 기술로 자리 잡을 가능성을 높인다.