quantum wave

• 저자 Yang Li, Wen-Qi Cai, Ji-Gang Ren, Chao-Ze Wang, Meng Yang, Liang Zhang, Hui-Ying Wu, Liang Chang, Jin-Cai Wu, Biao Jin, Hua-Jian Xue, Xue-Jiao Li, Hui Liu, Guang-Wen Yu, Xue-Ying Tao, Ting Chen, Chong
• 저널 Nature 640, 47-54 (2025)
• 게재일 2025. 03. 19
• 카테고리 양자 통신
• DOI https://doi.org/10.1038/s41586-025-08739-z

위성 양자 통신 기술의 중요성

기존 광섬유 기반 양자키분배 기술은 장거리로 양자 신호를 전송할 경우 광자 손실이 매우 커지므로 1,000km 이상 유선 장거리 전송은 사실상 거의 불가능합니다.  그러나 지상 15km 이상의 우주 경로는 대부분 진공이기 때문에 장거리 양자 신호 전송에 매우 유리하며 글로벌 양자 통신을 수행할 수 있습니다.

2016년 세계 최초로 발사한 양자 위성 Micius를 이용한 양자 위성 통신 기술이 “가능성 증명”이었다면, Jinan-1은 양자 위성의 소형화·저비용화와 이동 설치형 지상국 기술 개발로 “서비스화 가능성”을 보여준 것에 해당한다고 할 수 있습니다.

위성 양자 통신 기술의 핵심 기술 발전 포인트

첫째, 양자 위성 탑재체 소형화입니다. 양자 위성 탑재체 페이로드(Payload)의 무게는 23kg 급으로서 여러 종류의 소형 마이크로 위성이나 기존 우주 플랫폼에 탑재될 수 있어, 중대형 위성 필요 없이 가격 경쟁력이 높은 소형 양자 위성으로 우주 양자 통신이 가능하다는 것을 보여줍니다. 또한, 위성 콘스텔레이션(Constellation) 기반 우주 양자 네트워크로 확장할 수 있는 가능성을 열어 준다고 할 수 있습니다.

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그림 1. 소형 마이크로 양자 위성 (그림 출처: Nature 640, 50 (2025))

둘째, 이동성이 가능한 양자 지상국의 개발입니다. 지상국이 약 100kg 급이고, 지상 광학국의 주 망원경 외형은 약 0.28 × 0.28 × 0.65m3입니다. 이는 Micius 용의 주망원경 구경이 수 m 크기이며 고정형이고 대형 건물 위주의 지상국 중심 모델에서 벗어나 도시, 임시 거점, 전술적 환경 등을 고려하여 임의 설치가 가능하므로 응용 범위를 매우 넓힐 수 있다는 것에 큰 의미가 있습니다.

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그림 2. 이동 설치형 양자 지상국 (그림 출처: Nature 640, 50 (2025))

셋째, 실시간 양자 신호처리 및 서비스 기술입니다. 이것은 양자신호를 측정하여 단순히 후처리하는 것에 그치지 않고, 위성–지상간 양방향 광통신을 다중화하여 양자키분배와 암호통신 서비스를 실시간화하여 실사용성 기술을 증대시켰다는 관점에서 중요합니다.

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그림 3. 위성-지상 양자키분배 실험 결과 (그림 출처: Nature 640, 51 (2025))

향후 남은 과제

향후 미래에 남은 과제는 다음과 같다고 할 수 있습니다. 먼저 주간 위성 QKD 기술 및 성능 개선 기술입니다. 주간에는 태양광에 의한 잡음이 매우 크므로 일반적으로 위성 QKD 기술을 수행하기 어려운데 주간에도 사용 가능한 위성 QKD 기술 개발이 필요합니다.  다른 기술은 우주 양자 위성 콘스텔레이션(Constellation) 기술입니다. 우주-우주 양자 통신 기술을 포함한 우주 양자 통신 네트워크 구축을 통하여 보다 광범위하고 양자 통신 기술을 구축할 수 있습니다. 그리고 우주와 지상 광섬유 QKD 네트워크의 통합입니다. 지상에 설치된 광섬유 QKD 네트워크와 통합함으로써 전 세계 모든 지역에 양자 통신 서비스를 제공할 수 있을 것입니다. 추가로 QKD 시스템 관점에서 보면, 실제 서비스 제공에는 날씨, 구름, 대기 난류, 배경광잡음 제거, 위성 가시 시간 확보, 지상국 양자 신호 전송 정확도, 사용자 인증 및 양자 키관리 인프라 기술 등도 고려되어야 할 것입니다. 특히 위성 양자키분배가 완전한 글로벌 무조건적 보안 솔루션 기술이 되려면 단일 링크 성능보다도 양자 네트워크 아키텍처, 운영 자동화, 다중 양자 지상국 스케줄링 등도 중요합니다. 그리고 향후에는 양자 위성이 신뢰 노드가 아닌 양자 메모리를 가지는 양자 위성 통신 기술로 발전될 것으로 기대할 수 있습니다.

연구 그룹 소개 및 연구 전망

중국 USTC 양자위성 통신 그룹(Jian-Wei Pan) 소개

중국 USTC 양자위성 통신 그룹은 2016년 세계 최초 양자과학실험 위성 Micius(묵자호) 발사 성공하였으며 세계 최고의 위성 양자통신 기술을 보유하고 있습니다. 주요 성과로서 2017년 Nature 논문 에서 위성-지상 양자키분배 기술로 최대 약 1,200km 거리에서 kHz급 키 생성률을 달성했으며, 이것은 같은 거리의 광섬유 전송 대비 약 20자릿수 높은 생성률에 해당합니다. 또한 2017년 Science 논문 성과로, 두 지상국 사이 약 1,203km 거리에서 위성 기반 얽힘 광자쌍 분배를 시연하였습니다. 2018년에는 Micius 위성을 신뢰노드로 사용해 중국–오스트리아 간 약 7,600km 거리에서 위성을 이용한 양자보안통신을 시연했습니다. 그리고 2021년 2,000km 지상 광섬유 QKD망과 묵자호 위성 QKD를 이용한 총 4,600km 우주 -지상 양자 통신 네트워크 기술을 보고하였습니다.

또한 전세계적으로 캐나다, 이탈리아, 독일, 스위스 등 을 포함한 유럽, 일본, 싱가포르, 미국 등에서 대규모의 위성-지상 양자 통신 기술 구축 계획을 진행하고 있습니다.

ETRI 양자 통신 연구 그룹 소개

국내에서도 ETRI 양자통신연구 그룹은 무선 양자키분배 송신부 및 수신부 광집적화 모듈 기술 개발을 수행하고 있으며 세계 최초로 소형 CFP2급(41.5mm × 12.4mm × 107.5)의 수동형 무선 양자키분배 광집적화 모듈을 개발하였습니다.이것을 이용하여 1km 이내의 근거리 이동형과 30km 이상의 장거리 고정형 사이의 무선 양자키분배 기술 연구를 수행중에 있습니다. 또한 향후 위성 환경에서 동작 가능한 소형 경량형 위성 양자 통신 탑재체 및 경량형 지상국 기술 개발 계획을 가지고 있습니다.