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​도쿄(東京)대학 대학원 공학계연구과 물리공학전공 연구그룹이, 광파를 측정하는 양자 신호의 보안 문제를 해결하는 데 성공함.

양자 암호는 양자 역학의 성질을 이용하여 도청자의 계산 능력과 기술 수준에 의지 하지 않는 강력한 보안성을 갖는 통신을 가능케 하는 기술임. 대부분의 양자 암호 방식에는 매우 작은 에너지를 갖는 광자 1개의 도래를 감지할 수 있는 광자 검출기가 사용되는데, 광파의 진폭을 측정하는 다른 방식도 제안되고 있음.

이 광파를 측정하는 양자 암호 방식은 광자 검출기 대신, 보다 저렴하면서 강한 빛 에너지를 측정하는 광 검출기로 실현할 수 있다는 장점이 있음. 그러나 도청자가 어떤 기술을 사용해도 도청할 수 없다는 양자 암호의 가장 큰 특징을 증명하기 위해서는 비현실적인 가정이 필요했음.

연구진은 광파를 측정하는 양자 암호 방식의 보안 문제를 해결하고 비현실적인 설정 없이, 보증된 보안 조건 하에서 통신을 수행하는 구체적인 방법을 최초로 고안함.

파의 진폭이라는 아날로그 양으로부터 도청의 흔적을 밝혀내는 새로운 방법을 제시했으며, 과제 해결의 포인트는 라게르 다항식(Laguerre polynomial)이라는 수학 도구를 사용한 공식을 발견한 것임.

호모다인 검파(homodyne detection)로 얻은 수치를 공식에 대입한 후 평균치를 계산하면 ‘에러 비율’에 해당하는 값을 얻을 수 있음. 고가의 광자 검출기를 사용하여 측정했던 ‘에러 비율’을 저렴한 광다이오드(photodiode)를 사용하여 측정하는 방법을 발견한 것으로, 기존의 양자 암호의 보안 이론 기법을 그대로 사용할 수 있으며, 비현실적인 가정을 하지 않고도 ‘어떤 도청 기술로도 뚫을 수 없다’는 것을 증명하는 데 최초로 성공함.

본 성과는 양자 암호 시스템의 저비용화, 소형화, 광파장다중통신에 의한 대용량화의 길을 개척한 것으로, 향후 강력한 보안성을 갖는 양자 암호 기술 보급에 영향을 미칠 것으로 기대됨.

본 연구 성과는 Nature Communications (Finite-size security of continuous-variable quantum key distribution with digital signal processing)에 게재됨.