마이크로 위성을 통한 사상 최고 기록 양자 암호화 링크 달성

양자 암호화의 새로운 시대

점점 더 많은 핵심 기능이 안전한 데이터 연결에 의존하면서 전송 데이터의 암호화가 갈수록 중요한 문제가 되고 있습니다. 군사, 외교, 심지어 기업 데이터에서 보안은 아무도 데이터에 접근하지 못하게 하는 것뿐 아니라 제3자가 도청을 시도하는지조차 알아낼 수 있어야 한다는 뜻입니다.

양자 암호화는 바로 이러한 목적을 위해 설계되었으며, 양자 물리학의 기본 원칙 덕분에 어떠한 간섭도 자동으로 감지됩니다(아래 참고).

하지만, 양자 암호화의 장거리 전송을 관리하는 것은 역사적으로 어려웠으며, 이는 기술의 활용성을 제한했습니다.

이제는 과거의 문제로 보이며, 중국 연구진이 중국과 남아프리카 사이에 12,900km(8,000마일) 양자 위성 링크를 구축했습니다.

이 성과는 합肥 국가 연구소, 중국 과학원, 진안 양자 기술 연구소, 베이징 전자 과학기술 연구소, 스텔렌보스 대학교(남아프리카), CAS 양자 네트워크(주), 그리고 Quantum CTek Co. Ltd 등 연구자들의 대규모 협업을 통해 이루어졌습니다.

이 결과는 Nature¹에 “마이크로위성 기반 실시간 양자 키 분배”라는 제목으로 발표되었습니다.

양자 암호화 설명

양자 암호화, 즉 양자 키 분배(QKD)는 양자 컴퓨팅 능력에 의존하는 암호화가 아닙니다. 그러한 방식은 양자 암호라고 부릅니다.

양자 암호화는 단일 광자를 사용해 키를 전송 및 인코딩함으로써 기밀성을 제공하는 암호화 키를 생성합니다.

이 기술의 독특한 점은 단일 광자는 가로채거나 복제하거나 측정할 경우 양자 상태가 변한다는 점입니다. 양자 입자를 관측하면 그 특성이 변한다는 엄격한 규칙 때문에, 이를 변경하는 것은 절대 불가능합니다.

출처: Quside

그 결과, 통신하는 두 사용자는 아무도 키에 접근하려고 시도하지 않았는지, 더구나 성공했는지를 확신할 수 있습니다.

이 기술은 특히 국가 안보 목적의 중요한 보안 데이터 전송에 매우 강력한 옵션이 됩니다.

이는 새로운 아이디어가 아니며, 1984년 연구에 기반한 개념이지만 이제서야 대규모로 적용되고 있습니다. 이 방식은 실제 데이터를 전송하는 것이 아니라 일반적인 방법으로 전송된 데이터를 복호화하기 위한 키만을 제공합니다.

(이전) 양자 암호화의 한계

지금까지 양자 암호화에는 전용 광섬유를 포함한 매우 정교한 전용 인프라가 필요했습니다.

이 분야에서 중국은 선두에 서 있으며, 베이징에서 상하이까지 32개의 신뢰 노드를 연결하는 2,000km 규모의 지상 광섬유 기반 양자 네트워크를 구축했습니다. 이 프로젝트는 저명한 양자 물리학자 판지안웨이 교수의 지도 아래 진행되었으며, 그는 이번 양자 암호화 최신 개발의 주요 지도자 중 한 명입니다.

이 접근 방식은 NSA가 대체 기술을 선호하는 미국의 방식과 크게 다릅니다.

NSA는 양자 저항성(또는 포스트-양자) 암호화를 양자 키 배포보다 비용 효율적이고 유지 관리가 용이한 솔루션으로 보고 있습니다. 이러한 모든 이유로 NSA는 국가 안보 시스템에서 통신을 보호하기 위해 QKD 또는 QC의 사용을 지원하지 않으며, 이러한 제한이 해소되지 않는 한 NSS 고객이 사용할 QKD 또는 QC 보안 제품을 인증하거나 승인할 계획이 없습니다.

전반적으로 양자 암호화는 하드웨어 의존도가 높고 유연성이 부족하며, 소프트웨어나 네트워크 서비스 형태로 구현할 수 없습니다. 이 때문에 다른 네트워크와의 통합이나 업그레이드도 어렵습니다.

양자 암호화를 우주로 이동시키기

과거 노력 위에 구축

대규모 인프라 사업인 광섬유 네트워크와 관련된 이러한 한계는 위성 기반 양자 암호화로 전환하면서 해소되고 있습니다.

첫 단계는 우주 규모 양자 실험(QUESS) 프로젝트의 실험적 설정이었습니다. 이에는 비엔나 대학과 협력한 위성 미추스(중국어: 墨子)가 포함되었습니다.

미추스는 이전에 레이저 통신 실험을 활용해 중국의 톈궁-2 우주 실험실 모듈(중국 우주 정거장)에서 7,600km에 달하는 위성 기반 대륙간 양자 링크를 관리했습니다.

이는 개념이 실제로 가능함을 보여주는 좋은 방법이었습니다. 그러나 이 프로토타입은 실용적인 배치를 위해 필요한 요소인 소형 경량 위성, 이동식 지상국, 실시간 보안 키 교환을 구현할 수 있는지는 아직 입증되지 않았습니다.

이 연구의 남아프리카 측은 프란체스코 페트루첸느 교수가 이끌었으며, 그는 남아프리카 듀르반에서 세계 최초의 광섬유 양자 통신 네트워크 중 하나를 개발했습니다.

출처: Stellenbosch University

“이 성공적인 양자 위성 기술 시연은 남아프리카를 급속히 진화하는 전 세계 양자 기술 생태계에서 중요한 플레이어로 확고히 자리매김하게 합니다.

프란체스코 페트루첸느 교수

위성 통신의 장점

이러한 암호 통신에 위성을 사용할 때 가장 큰 장점은 기존의 전용 광섬유 네트워크에 의존하지 않는다는 점입니다.

이는 시스템을 비싼 국내 전용 광섬유 시스템에만 제한하지 않고 광범위하게 배치할 수 있게 합니다.

추가적인 장점은 이 기술적 성과가 페이로드가 23kg(50파운드)인 마이크로 위성만을 사용해 달성되었다는 점입니다. 참고로, 비교적 작은 스타링크 위성은 각각 800kg(1,760파운드) 정도입니다.

출처: Reuters 

따라서 많은 궤도 발사 없이도 이러한 장치들의 대규모 별자리를 쉽게 배치할 수 있습니다.

휴대용 지상국의 무게는 약 100 kg으로, 어디든 쉽게 운반하고 설치할 수 있습니다.

위성 통신의 제한점

통신이 광자에 의존하기 때문에 기상 조건의 영향을 크게 받습니다. 흐린 날이나 위성이 태양과 일직선상에 놓이는 경우에도 전송 과정이 방해받을 수 있습니다.

통신이 광자에 의존하기 때문에 날씨 조건에 크게 좌우됩니다. 흐린 날이나 위성이 태양과 정렬될 때도 과정이 방해될 수 있습니다.

따라서 이 기술은 모든 상황에서 언제든지 사용하기는 어려울 것으로 보입니다. 그럼에도 불구하고 인상적인 성과이며, 날씨 영향을 덜 받는 다른 주파수(예: 마이크로파)에서 광자를 활용하는 것이 다음 논리적 단계가 될 수 있습니다.

성과는 어떠했는가?

기후가 기술에 미치는 영향은 맑은 하늘과 낮은 습도라는 이상적인 환경 조건을 갖춘 스텔렌보스를 선택한 이유 중 하나였습니다. 이러한 조건에서 위성이 한 번 통과하는 동안 최대 107만 비트의 보안 키를 공유하는 데 성공했습니다.

통신은 양방향으로도 이루어졌으며, 실시간 보안 통신을 가능하게 했습니다. 따라서 위성 및 지상국의 무게와 실시간 교환에 대한 이전 프로토타입의 모든 제한을 해결한 성공적인 사례입니다.

또한 시스템은 이미지에 대한 일회용 패드 암호화를 전송할 수 있음을 보여줍니다. 따라서 나중에 악천후 등으로 양자 암호 전송이 불가능해도, 키가 전송된 후에는 12,900km 거리에도 불구하고 데이터를 복호화할 수 있습니다.

응용 분야

초기에는 국가 안보와 군사 분야에 적용될 가능성이 큽니다. 이 분야가 해독 불가능한 고보안 암호화 서비스의 주요 수요처이기 때문입니다.

하지만 이것이 기술의 최종 목표는 아닙니다. 대규모 위성 별자리를 구축하면 상업용 소비자에게도 암호화 키 전송을 수행할 수 있습니다. 여기에는 기술 기업, 금융 기관, 암호화폐 거래소 등이 포함될 수 있습니다.

하지만 현재로서는 이 수준의 보안이 대부분의 인터넷 사용자에게 적용되기는 어려울 것이며, 여전히 기술적이고 다른 암호화 방식보다 비용이 많이 들기 때문입니다.

양자 암호화 시장은 2024년부터 2030년까지 놀라운 연평균 38.3% 성장하여 5억 1,800만 달러에 이를 것으로 예상됩니다.

출처: Grand View Research

전반적으로 이는 스타링크와 같은 광대역 인터넷이 아니라, 점대점으로 감시가 불가능한 보안 암호화를 제공하는 새로운 보편적인 우주 통신 계층이 곧 추가될 수 있음을 의미합니다.

이 네트워크는 실제 데이터를 전송하지 않고 암호화 키만 전송하므로, 위성 통신 암호화의 안전성을 크게 향상시킬 수 있는 강력한 방법이 될 수 있습니다.

다음 단계는 정지궤도 위성을 테스트하는 것이며, 이는 암호화 키 전송 속도를 크게 향상시킬 것입니다.

장기적으로는 상업 시스템에 더 적합할 것이며, 양자 암호화에는 저궤도와 연결된 초저지연이 크게 필요하지 않습니다.

양자 암호화 기업

Arqit은 “양자 안전 대칭 키 합의 암호화 플랫폼”을 제공하는 공급업체입니다.

쉽게 말해, 양자 컴퓨팅의 발전에도 안전한 암호화를 제공하는 장치들입니다.

회사의 제품은 NSA 표준 및 기타 다수의 사이버 보안 및 암호화 표준을 준수합니다.

Arqit의 고객에는 Fortinet (FTNT ), Juniper Network, Intel (INTC ), Adtran 등 가장 큰 사이버 보안 및 네트워크 기업들이 포함됩니다.

관련 소프트웨어는 대부분의 OEM(Original Equipment Manufacturer) 공급업체와 통합될 수 있으며 클라우드 기반입니다.

출처: Arquit

이 기술은 업계에서 암호화 품질의 선두주자로 인정받아 Cyber Security Awards에서 National Cyber Awards와 사이버 보안 소프트웨어 기업 대상 수상 경력이 있습니다. 또한 Mobile World Congress에서 보안 5G 솔루션 부문 CTO Outstanding Technology Award를 수상했습니다.

인상적인 고객, 파트너 및 수상 경력에도 불구하고, Arqit은 아직 매우 신생 기업으로 2024년 매출이 293,000달러에 불과합니다.

하지만 이는 회사의 실제 가치를 반영하지 않으며, 향후 정부 및 민간 기업으로부터 수천만 달러 규모의 계약이 체결될 것으로 예상됩니다:

대부분의 계약은 Arqit의 대칭 키 합의 소프트웨어에 대한 시연 및 통합 테스트를 위한 제한된 라이선스였습니다.

앞서 발표한 바와 같이, Arqit은 EMEA 지역의 정부 최종 사용자에게 다년간 기업 라이선스 계약을 체결했으며, 이는 연간 반복 매출이 7자리 수에 이를 것으로 예상됩니다. 2024 회계연도 종료 이전에 계약이 최종 확정되었으며, 현재 회계 기간에 매출 창출이 시작될 예정입니다.

마찬가지로 Sparkle은 2024년에 Arqit 제품을 사용한 ‘인터넷을 통한 양자 안전 네트워크 서비스(NaaS) 제품군’을 출시했습니다.

2024년 말 현금 보유액 1,870만 달러와 다가오는 계약들 덕분에 Arqit은 곧 매출 전 스타트업 상태에서 벗어나 9자리 평가액을 정당화할 수 있는 위치에 서게 됩니다.

Arqit Quantum Inc. 최신 소식

연구 참고:

^{1. Li, Y., Cai, WQ., Ren, JG. et al. Microsatellite-based real-time quantum key distribution. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08739-z}