오늘은 우주 산업에서 큰 주목을 받고 있는 양자 키 분배, 즉 QKD(Quantum Key Distribution)를 소개하겠습니다.
QKD는 물리학 법칙에 기반한 암호화 보안을 활용함으로써 양자 컴퓨팅으로 인한 미래의 위협으로부터 통신을 보호할 수 있습니다. 이론적으로 해독이 불가능한 암호화 방식인 이 기술은 기술로 가능한 한계를 계속 넓혀가고 있는 우주 산업에 종사하는 사람들에게는 매우 매력적인 전망입니다. 먼 거리에서 글로벌 통신의 보안을 보장해야 하는 까다로운 문제를 해결할 수 있을 것으로 보입니다. 하지만 제 조언은 열정을 자제하고, 특히 더 성숙한 기존 레이저 통신 분야와 비교할 때 QKD가 달성할 수 있는 것에 대해 현실적으로 생각해야 한다는 것입니다. 두 기술 모두 서로 다른 문제를 해결하기 때문에 미래에는 각자의 자리를 차지할 것입니다.
양자 키 분배의 매력과 과제
양자키분배가 매력적인 이유는 무엇일까요? 그 매력은 이론적 보안에 있습니다. 계산 난이도에 의존하는 기존 암호화 방법과 달리, 양자 키 분배는 양자 입자의 근본적인 특성을 이용해 도청 시도를 탐지합니다. 이를 올바르게 사용하면 양자 컴퓨팅 시대에 기존 암호화를 잠재적으로 손상시킬 수 있는 공격에 거의 영향을 받지 않습니다.
2016년에 발사된 중국의 미시우스 위성은 장거리에서 QKD의 작동 가능성을 보여주는 이정표였습니다. 그 이후로 정부, 연구 기관, 민간 기업들은 우주 기반 QKD 시스템 개발 및 배포에 큰 관심을 보이고 있습니다. 보안 통신은 현대 인프라에 매우 중요하며 미래의 위협으로부터 인프라를 보호하는 것이 매우 필요하기 때문에 이러한 관심은 충분한 근거가 있습니다.
그러나 실제로 공간 기반 QKD를 구현하는 것은 또 다른 이야기입니다. 현재 시스템은 키 생성 속도가 제한되어 있고 보안을 손상시킬 수 있는 신뢰할 수 있는 노드가 필요한 경우가 많습니다. 인프라는 아직 초기 단계에 머물러 있으며 필요한 기능을 갖춘 실험용 위성은 소수에 불과합니다.
국가 보안 기관의 다양한 견해
전 세계 국가 보안 기관은 QKD를 바라보는 시각이 다릅니다. 미국 국가안보국은 시스템 복잡성과 성능 한계에 대한 우려를 언급하며 회의적인 입장을 표명했습니다. 반면 중국은 우주 기반 QKD를 전략적 자산으로 보고 막대한 투자를 해왔습니다. 현재 유럽 기관들이 관심을 보이고 있지만 일부 회원국은 다른 회원국보다 더 주저하고 있습니다.
이러한 기관들은 QKD의 이론적 보안이 실질적이고 완벽한 보안으로 이어지지 않을 수 있다는 점을 우려하고 있습니다. 잠재적인 부채널 공격, 구현상의 취약점, 실제 환경에서 양자 키를 관리할 때의 복잡성 등 이러한 모든 요소는 여전히 면밀히 검토되고 있습니다. 이러한 우려가 해결될 때까지 QKD는 보안 통신을 위한 독립형 솔루션이 아닌 보완적인 기술로 남을 수 있습니다.
레이저 통신: 실험 단계부터 운영 단계까지
QKD 개발이 계속되는 동안 우주 분야에서는 고전적인 레이저 통신 기술이 빠르게 발전하고 있습니다. 기존 무선 주파수 시스템보다 훨씬 빠른 데이터 속도, 좁은 빔 발산으로 인한 보안성 향상, 더 효율적인 전력 소비를 제공합니다. 이런 점에서 레이저는 QKD 및 다른 어떤 기술과도 차별화됩니다. 레이저는 이러한 특성을 결합한 유일한 기술입니다.
최근 위성 간 광학 링크의 발전은 특히 유망합니다. 2024년 1월, SpaceX는 스타링크 별자리에서 광학 위성 간 링크를 성공적으로 구현했다고 발표했는데, 이는 보다 상호 연결되고 효율적인 위성 네트워크를 추구하는 데 있어 진정한 진전입니다. 케플러 커뮤니케이션즈도 이 분야에서 실질적인 진전을 이루며 자사 위성군에서 광학 위성 간 링크를 시연했습니다. 그리고 우주 개발국은 Tranche 0 위성 간의 성공적인 광통신을 보고하여 이 기술이 다양한 우주 주체들 사이에서 점점 더 널리 채택되고 있음을 증명했습니다.
위성 대 지상 통신의 영역에서도 마찬가지로 놀라운 진전이 있었습니다. 2022년 NASA와 MIT가 저궤도 큐브캣에서 지상국까지 초당 최대 200기가비트의 전례 없는 다운링크 속도를 보여준 TBIRD(TeraByte InfraRed Delivery) 미션으로 큰 돌파구를 마련했습니다. 이는 우주와 지상 간 레이저 통신의 새로운 기록을 세웠습니다.
이러한 성과는 우주 기반 통신의 전환점이 되었습니다. 레이저 통신 기술은 이제 실험적 시연에서 정부 기관과 상업적 플레이어가 배포하는 운영 시스템으로 성숙해졌습니다. 위성 간 및 지상과 우주 간 통신에 광 링크를 성공적으로 사용하면서 우주 기반 데이터 전송의 새로운 시대가 열렸습니다. 그리고 이러한 시대는 지구 관측 및 우주 탐사 능력 향상부터 혁신적인 글로벌 통신 네트워크에 이르기까지 다양한 새로운 사용 사례를 가능하게 할 것입니다. 이러한 시스템이 발전하고 신뢰성과 성능 품질이 지속적으로 입증됨에 따라 레이저 기반 통신은 우주 기반 데이터 고속도로의 새로운 표준이 될 것입니다. 이는 우주에서 우리의 역량을 근본적으로 변화시킬 것입니다.
혁신을 향한 균형 잡힌 접근 방식
광 지상국을 개발하는 기업으로서 Cailabs는 안전한 통신의 필요성을 인식하고 있습니다. 기존 레이저 시스템은 현재 더 성숙해졌지만, QKD는 향후 보안을 강화할 수 있는 흥미로운 가능성을 제시합니다. 이를 무시하는 것은 현명하지 못합니다. 양자 컴퓨팅이 발전함에 따라 양자 내성 암호화에 대한 필요성이 커지고 있기 때문입니다. 점점 더 정교해지는 사이버 공격은 점점 더 발전된 사이버 보안을 필요로 합니다. 이는 점점 더 탐지하기 어려운 경기력 향상 약물로 인해 더욱 철저한 올림픽 약물 테스트가 요구되는 것과 비교해보세요. 업계는 양자 암호와 마찬가지로 QKD를 이러한 방식으로 바라보고 장기적인 투자로 인식해야 합니다.
단기 및 중기적으로는 고전적인 레이저 통신이 계속해서 우주 기반 데이터 전송의 중추가 되어 다양한 목적에 고속의 안정적인 연결을 제공할 것입니다. 하지만 앞으로는 균형 잡힌 접근 방식이 중요할 것입니다. 기존 레이저 통신 시스템을 계속 개발하고 배포하는 한편, QKD 연구 개발에도 투자하여 명확한 이정표를 설정하고 이 두 가지가 서로 어떻게 상호 보완되는지에 대한 현실적인 기대치를 유지해야 합니다.
보다 구체적으로, 단기적으로는 현재의 보안 한계를 극복하고 산업 사용 사례를 개발하는 데 QKD 연구의 초점을 맞춰야 합니다. 이를 위해서는 우주 기반 QKD에 대한 표준화 작업을 시작하면서 향후 기존 레이저 통신과의 통합을 염두에 두어야 합니다. 5~10년 후에는 기존 레이저 통신과의 상호 운용성을 보장하는 우주 기반 QKD에 대한 국제 표준을 수립하는 것을 목표로 할 수 있습니다. 이러한 표준 내에서 우리는 하이브리드, 클래식 QKD 시스템을 개발해야 합니다. 그런 다음 중요 인프라를 위한 우주 기반 QKD 배포를 위한 파일럿 프로그램을 설계해야 합니다.
미래에는 두 기술의 강점을 모두 활용하는 하이브리드 시스템이 등장할 수 있지만, 현재 두 기술의 성숙도 차이를 인정하는 것이 중요합니다. 고전적인 레이저 통신은 운영 중이며 빠르게 발전하고 있지만, QKD는 우주용으로 아직 실험 단계에 머물러 있습니다. 단기적으로는 레이저 통신의 운영 능력을 향상시키는 데 집중하면서 QKD에 대한 연구와 개발을 지속해야 합니다. 조기 통합이나 하이브리드 솔루션에 대한 과도한 의존은 잠재적으로 두 분야의 발전을 저해할 수 있습니다.
우리는 우주 기반 통신의 진화에 있어 흥미로운 시점에 있습니다. 양자 기술에 대한 열정과 기존 시스템의 실용적인 개발이 균형을 이루면, 우주 기반 통신의 고유한 특성을 활용하여 놀랍도록 빠른 속도와 탁월한 보안을 모두 갖춘 미래로 나아갈 수 있습니다.