슈투트가르트, 양자점 기반 얽힘 QKD를 설치된 캠퍼스 광섬유에서 구현

슈투트가르트 주도 연구팀이 통신 파장대로 변환한 양자점 얽힘 광자로 1.59km 캠퍼스 광섬유에서 14.2Mbit의 비밀 키를 생성했다.

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슈투트가르트대학이 이끄는 연구팀이 이미 설치된 광섬유 링크에서 얽힘 기반 양자 키 분배(QKD)를 구현했다. 대부분의 현장 시스템이 쓰는 감쇠 레이저나 비선형 결정 대신 반도체 양자점에서 나온 광자를 사용했다. 10월 27일 공개된 프리프린트 Deployed entanglement-based BBM92 quantum key distribution using frequency-converted photons emitted by a quantum dot에서 저자 17명은 슈투트가르트-파이잉겐(Vaihingen) 캠퍼스에서 206Hz의 비밀 키 생성 속도를 19시간 동안 유지했다고 보고했다.

발표 내용

초록에 따르면 링크는 설치된 광섬유 1.59km에 걸쳐 있었고 총 14.2Mbit의 비밀 키를 생성했으며, 연구팀은 이 키로 컬러 이미지를 암호화하고 복호화했다. Quantum Computing Report는 자를란트대학과 Leibniz IFW Dresden도 참여했다고 전하며, 이미지 암호화를 일회용 패드(one-time pad) 방식이라고 설명했다.

기술적 세부 사항

광원은 액적 식각(droplet-etched) 방식으로 만든 갈륨비소 양자점으로, 1GHz 여기 속도에서 약 780nm 파장의 편광 얽힘 광자쌍을 방출한다. 이 파장은 표준 통신용 광섬유에서 잘 전달되지 않기 때문에 연구팀은 양자 주파수 변환을 이용해 편광 얽힘을 유지한 채 각 쌍의 광자 하나를 통신 파장대로 옮겼다. QCR에 따르면 내부 효율이 최대 50%인 사냑(Sagnac)형 변환기가 광자를 779.8nm에서 1515nm로 변환했다.

QCR이 전한 기타 수치:

275피코초 동시 계수 창에서 목표 벨 상태 대비 충실도 91.4%;
실험실과 캠퍼스 다른 곳의 수신 랙을 잇는 광섬유 링크의 총 손실 1.09dB, 전동식 편광 추적 장치 탑재;
평균 양자 비트 오류율 4.70%에서 원시 키 504Hz, 비밀 키 206Hz로, BBM92 프로토콜의 기준치 11%보다 낮음;
5,000비트 LDPC 블록을 이용한 오류 정정과 Toeplitz 해싱을 이용한 프라이버시 증폭.

QCR에 따르면 전동 파장판으로 매시간 편광을 점검해 19시간 내내 링크를 안정적으로 유지했으며, 처리량이 소폭 떨어진 것은 협대역 필터의 열 드리프트 때문이었다.

왜 중요한가

양자점은 필요할 때 광자를 방출할 수 있어, 레이저나 결정 광원이 지닌 밝기와 원치 않는 다광자 방출 사이의 근본적 상충 관계를 피할 수 있다. 약점은 그동안 파장이었다. 저자들은 이번 실험이 밝고 빠른 얽힘 광자원, 효율적인 주파수 변환기, 피코초 정밀도의 시간 동기화가 실제 현장 네트워크에서 함께 작동할 수 있음을 보여준다며, 하이브리드 양자 네트워크를 향한 한 걸음이라고 말한다.

지켜볼 점

결과는 동료 심사 전인 프리프린트로 발표됐다. 거리는 캠퍼스 규모다. 다음 과제는 이 방식이 도시 규모의 거리와 다중 노드 네트워크에서도 작동할지, 그리고 광원과 변환기 효율이 높아짐에 따라 비밀 키 속도가 올라갈지다.