GHz급 편광 기반 양자키 분배 시스템 광섬유와 위성 응용

초록

본 논문은 1550 nm 파장에서 1.5 GHz 반복률을 달성한 편광 기반 QKD 시스템을 제시한다. iPOGNAC 인코더와 효율적인 3‑state one‑decoy BB84 프로토콜을 이용해 실험실 광섬유와 620 m 자유공간(도시) 링크에서 각각 QBER ≈ 0.4 %와 1 Mb/s 이상의 지속적인 비밀키 전송을 구현하였다. 또한, 최근 제안된 유한키 보정식을 적용해 5 dB 저손실 조건에서 10 Mb/s, 38.5 dB 고손실·소블록(N=10⁴) 상황에서 6.5 kb/s의 안전한 키율을 달성, 저궤도 위성 QKD에 적합함을 입증하였다.

상세 분석

이 연구는 고속 양자키 분배(QKD)의 실용화를 목표로, 두 개의 iPOGNAC(Interferometric Polarization‑Encoded Generator for Optical Networks with Adaptive Control) 인코더를 대칭 구조로 결합한 1550 nm 광원 설계를 핵심으로 삼는다. 첫 번째 iPOGNAC은 전압 구동형 전기광학 위상 변조기를 이용해 광펄스를 코사인 제곱(cos² Δϕ) 비율로 감쇠시켜 디코이 상태를 생성하고, 두 번째 iPOGNAC은 D, L, R 세 가지 편광 상태를 선택적으로 인코딩한다. 이러한 설계는 기존의 편광 변조 방식보다 전압 평균이 0이 되도록 하여 AC‑커플드 RF 증폭기 사용 시 전압 드리프트를 최소화하고, 6 GSa/s DAC와 Ultrascale+ SoC를 통해 1.5 GHz에 가까운 반복률을 구현한다.

수신 측은 균등 빔스플리터를 이용해 무작위 기저 선택을 수행하고, 각각 Y(=L,R)와 X(=D,A) 기저에 대응하는 편광 제어기와 편광 빔스플리터를 배치해 4개의 초고감도 초전도 나노와이어 단일광자 검출기(SNSPD)로 측정한다. 실험실 광섬유 링크에서는 5 dB 손실 조건에서 QBER가 Y기저 0.38 %·X기저 0.27 % 수준으로 매우 낮았으며, 1 GHz 연속 운전 2시간 동안 안정적인 오류율을 유지했다. 1.5 GHz로 속도를 높였을 때는 이론적 최대 1.53 GHz에 근접한 성능을 보이며, 최적화된 프로토콜 파라미터(μ=0.28, ν/μ≈0.44, p_Z=0.9, p_μ=0.5) 하에 10 분 측정에서 5 dB 손실 시 초당 5 Mb 이상의 비밀키율을 예측한다.

자유공간 링크 실험에서는 파도베드(PADOVA) 내 두 건물 사이 620 m 거리의 도심 광학 경로를 이용했으며, 전용 전송 터미널(Tx)과 수신 터미널(Rx)을 각각 빠른 스티어링 미러(FSM)와 듀얼 파장(980 nm 정렬용, 1545 nm 채널 모니터링) 레이저 시스템으로 구성했다. 실시간 빔 정렬 및 대기 난류 보정 덕분에 총 5.5 dB(광섬유) + 4.24 dB(자유공간) + 1.2 dB(터미널) = 10.94 dB 이하의 손실을 유지했으며, 일조량이 높은 낮 시간에도 QBER가 0.4 % 이하로 유지돼 1 시간 동안 1 Mb/s 이상의 지속적인 SKR을 달성했다.

특히, 유한키 보정식(최근 제안된 보정 경계)을 적용해 고손실(38.5 dB)·소블록(N=10⁴) 상황에서도 0.3 s마다 6.5 kb/s의 안전한 키를 추출했으며, 이는 저궤도 위성에서 짧은 가시 기간 동안 높은 손실을 감당해야 하는 실제 운용 시나리오와 일치한다. Qubit4Sync 동기화 프로토콜을 활용한 초고속 동기화는 1.5 GHz 수준의 양자 비트 전송과 정확히 맞물려, 전체 시스템의 시간 동기화 병목을 제거한다.

결과적으로, 이 시스템은 고속 편광 인코딩, 저오차율, 유연한 광섬유·자유공간 전환, 그리고 유한키 보정까지 모두 통합한 최초의 GHz급 QKD 구현으로 평가된다. 향후 위성 탑재형 송신기 설계에 바로 적용 가능하며, 대규모 양자 네트워크 구축에 필요한 핵심 기술 요소들을 검증하였다.