파르잠 투데팔라 시에나 이사 “지금이 양자 보안 전환의 골든타임”

양자 컴퓨팅은 기술 혁신을 가져오지만, 동시에 기존 암호 체계에 중대한 위협을 가하며 민감한 데이터 보안을 저해하고 있다. 현재 양자 보안 통신 분야의 진척 상황을 알아보기 위해, 시에나(Ciena) 양자 통신 연구개발(R&D) 부문을 총괄하는 파르잠 투데팔라(Farzam Toudeh-Fallah) 이사와 이야기를 나눴다.

- 오늘날 암호 체계에 양자 컴퓨팅이 가하는 위협을 완화하기 위해 지금 바로 행동해야 하는 이유는 무엇인가.

△양자 컴퓨터가 오늘날 암호화에 사용되는 키 교환 방식을 해독할 만큼 강력해지는 시점, 이른바 'Q-day'는 아직 먼 미래의 일이라고 보는 시각이 있다. 그러나 양자 컴퓨팅은 우리의 눈앞에서 놀랍도록 빠르게 발전하고 있으며, 이는 Q-day가 예상보다 훨씬 더 빨리 도래할 수 있음을 의미한다.

이와 관련된 대표적인 사례로는 구글(Google) 과학자들이 이룬 진척을 꼽을 수 있다. 2019년 구글이 공동 저술한 한 논문에서는 현재 가장 높은 등급의 키 교환 방식 중 하나인 2048비트 RSA 정수를 노이즈가 있는 큐비트 2000만개를 사용해 단 8시간 만에 인수분해할 수 있음을 보여줬다. 이후 2025년 5월 구글은 해당 연구에 대한 후속 발표를 통해 노이즈가 있는 큐비트 100만개 미만으로도 이러한 작업을 수행할 수 있음을 시사했다. 즉 노이즈가 있는 큐비트 100만개 미만으로 RSA-2048 암호화를 해독하는 데 일주일이 채 걸리지 않는다는 뜻이며, 이는 기존 암호화 방식 해독에 필요한 양자 컴퓨터 자원의 추정치를 크게 밑돈다. 노이즈가 있는 큐비트 100만개 미만을 활용할 수 있는 양자 컴퓨터는 해당 큐비트를 20배 더 많이 요구하는 시스템보다 훨씬 더 현실화에 근접했음이 분명하다. 이러한 발전을 보면, 실용적인 양자 컴퓨터가 등장하기 훨씬 전인 지금 당장 행동해야 한다는 사실이 더욱 분명해진다.

-양자 내성 네트워크의 길로 나아가는 데 도움이 되는 다양한 접근법에 어떤 것이 있나.

△먼저 논의와 관련된 중요한 용어 하나를 명확히 짚고 넘어가고자 한다. 우리는 통신 채널 보안의 키 분배 방식이 양자역학 원칙을 기반으로 하는 경우, 해당 통신 채널을 '양자 보안' 채널이라고 정의한다. 이 방식을 양자 키 분배(Quantum Key Distribution)라고 하며, 흔히 줄여서 QKD로 부른다.

양자 보안 통신 및 일반적인 양자 통신 연구에서 가장 까다로운 부분은 아마도 장거리 양자 통신 채널의 구축일 것이다. 이는 통신 매체에서 발행되는 손실이나 기타 품질 저하 요인으로 인해 거리에 한계가 있기 때문이다. 또 양자역학의 복제 불가능 원리에 따르면 미지의 양자 상태는 복제할 수 없다. 이 원칙 때문에 양자 통신 채널에서는 증폭이라는 개념이 의미가 없다. 이러한 제약을 극복하기 위해 현재 연구자들은 다음과 같은 두 가지 접근법을 고려하고 있다.

첫째, 양자 중계기를 활용한 지상 기반 방식이다. 이 접근법은 양자 중계기라는 개념적인 장치를 활용하여 양자 채널의 거리를 확장한다. 이 방식은 양자역학의 고유한 현상인 얽힘에 기반을 둔다. 매우 포괄적으로 설명하자면, 얽힘이란 양자 입자 간에 서로와의 거리와 무관하게 발생하는 비 국소적 상관관계로 정의된다. 이 접근법은 그 복잡성 때문에 여러 주요 난관에 직면한다. 실온에서 작동하면서도 미지의 양자 상태를 상대적으로 오래 유지할 수 있는 양자 메모리 개발, 충실도가 높은 얽힘 구현, 높은 얽힘 생성률 달성 등이 그 예다. 최근 이 분야에서 몇 가지 진척이 있었지만, 이 기술이 실제 운영 환경에 구축할 수 있는 솔루션으로 발전하는 데 필요한 성숙도에 다다르려면 여전히 갈 길이 멀다.

둘째는 위성 기반 방식으로 우주에 있는 위성이 지상국과 양자 채널을 구축하고, QKD 방식으로 여러 지상국 간에 공유 암호 키를 생성한다. 이후 지상국들은 해당 공유 암호 키를 사용해 광케이블(또는 자유 공간 등의 다른 매체)을 통해 데이터 채널을 암호화한다.

-시에나는 양자 안전 통신을 위해 현재 어떤 노력을 기울이고 있나.

△양자 시대에 핵심 대용량 데이터를 전송 중 안전하게 보호하는 것은 입증된 고속 광 암호화 솔루션에서 시작된다. 시에나는 10년 이상 시장에 선도적인 광 암호화 솔루션을 제공해 왔다. 오늘날 보안에 민감한 고객들은 시에나의 Waveserver 5 상호 연결 플랫폼으로 QKD를 활용한 양자 보안 통신을 이용할 수 있다. 이 방식은 ETSI QKD 표준을 준수하는 외부 키 운영 방식을 구현해 어떠한 외부 QKD 시스템과도 매끄럽게 상호 운용이 가능하다. 2023년 12월부터는 업계를 선도하는 WaveLogic 5 Extreme(WL5e) 800Gbps 암호화 솔루션을 QKD 상호 운용성을 갖추어 구축할 수 있게 됐다. 이 솔루션은 HEQA Security, ID Quantique, LuxQuanta, Toshiba 등 여러 QKD 시스템 공급업체와 철저한 테스트를 거쳐 고객의 성공적인 구축으로 이어졌다. AES-256-GCM 암호화 방식과 양자 키를 결합한 이 솔루션은 전송 중인 모든 주요 데이터를 도청 및 미래의 양자 관련 위협으로부터 안전하게 보호한다.

최근 WaveLogic 6 Extreme(WL6e) 코히어런트 기술을 기반으로 하는 1.6Tbps 광 암호화 솔루션을 선보였다, 무엇보다 중요한 것은 이것이 금융 기관과 정부 기관, 그리고 고가치 데이터를 다루는 기타 이해관계자에게 양자 안전 통신을 제공하는 완전한 솔루션이라는 점이다. 이 솔루션은 NIST 승인 PQC(양자 이후 암호화) 알고리즘과 QKD 시스템 연동을 통합해 파장당 최대 1.6Tbps 암호화 용량을 제공하는 양자 저항 솔루션을 제공한다. 또 기존 WL5e 800Gbps 암호화 솔루션에서도 NIST 승인 PQC 알고리즘을 지원할 예정이다.

시에나는 양자 보안 채널을 장거리로 확장하기 위한 첨단 기술 연구도 진행하고 있다. 여기에는 민감한 데이터의 해저 케이블을 통한 전송 중 보안도 포함된다. 양자 보안 채널을 장거리로 확장하는 데 있어 양자 중계기를 통한 지상 기반 방식과 위성 기반 방식이라는 두 가지 접근법을 따른다.

-시에나는 위성 양자 통신 분야에서 어떻게 업계를 선도하고 있나.

△위성 양자 통신이 장거리 양자 보안 광 데이터 채널 구축에 있어 타당한 방식처럼 보일지 모른다. 그러나 기술적 및 상업적 실현 가능성에 대해서는 답해야 할 질문이 여전히 남아 있다. 시에나는 2023년 10월부터 QEYSSat(양자 암호화 및 과학 위성) 연구 프로젝트에 참여하고 있다. 이는 캐나다 우주국의 후원을 받아 워털루대 IQC(양자 컴퓨팅 연구소)에서 주관하는 프로젝트다.

QEYSSat 사용자 조사팀(QEYSSat User Investigation Team) 일원으로서 시에나의 역할은 광케이블을 통해 약 700km 떨어진 두 지상국을 잇는 양자 보안 대용량 광 데이터 채널을 구축하는 것이다. 여기에서 공유 암호키는 위성을 활용한 QKD 방식으로 분배된다.

시에나 역할은 위성을 통해 분배된 양자 키를 광 네트워크 장비와 연동해 실제 대용량 데이터 전송 환경에서 활용 가능성을 검증하는 것이다. 이를 통해 위성 기반 양자 통신의 기술적 실현 가능성과 함께, 위성 구축·운영 비용과 글로벌 확장성 등 상업적 타당성에 대한 답을 찾고자 한다.

아직 해결해야 할 과제는 많지만, 시에나는 이미 양자 보안 네트워크 분야에서 선도적인 위치를 확보하고 있으며, 다가오는 양자 시대를 대비한 현실적인 해법을 제시하고 있다는 평가를 받고 있다.

김현민 기자 minkim@etnews.com