<M이코노미 이홍빈 기자> 안전한 정보교류를 위한 암호통신은 21세기를 살아가는 현대인에게 그 무엇보다 중요한 기술이다. 국가 기밀에서부터 개인 정보에 이르기까지 어느 하나 보안을 빼놓고 이야기 할 수 없기 때문이다. 4차 산업혁명 시대가 열린 지금 산업간 융합을 위한 고급지식정보의 안전하고 빠른 교류가 필수라는 점을 감안했을 때 국가적 인프라로써 암호통신 기술 개발의 중요성과 시급성은 너무나도 명확하다. 현재 전 세계적으로 차세대 보안통신기술로 양자암호통신을 활발히 연구·검증하고 있으며, 이는 우리의 삶을 획기적으로 바꿀 핵심 키가 될 것으로 전망된다.

나노의 시대를 넘어 양자의 시대가 성큼 다가왔다. 커다란 바위가 돌멩이가 되고, 돌멩이가 모래로 변하듯 현대 기술 발전에 따라 인간이 이용하는 입자의 단위가 획기적으로 줄어들고 있기 때문이다. ‘양자(Quantum)’란 물리학에서 단위량을 가리키는 용어로 사용된다. 일상생활에서 자주 접할 수 있는 용어는 아니지만 최근 TV광고를 통해 조금씩 들려오고 있다. 양자이론은 아인슈타인의 상대성 이론, 특수상대성 이론과 함께 자연의 원리를 설명하는 이론 중 하나이며, 양자이론의 예측 능력과 정확도는 각종 증명과 실험들에 의해 익히 알려져 있다.

디지털 암호를 보완할 차세대 ‘암호화 키’

기술의 발달과 함께 인류는 편리한 삶을 누릴 수 있게 됐다. 안전한 정보교류를 위한 암호통신은 21세기를 살아가는 현대인에게 그 무엇보다 중요한 기술이다. 국가 기밀에서부터 개인 정보에 이르기까지 어느 하나 보안을 빼놓고 이야기 할 수 없기 때문이다. 4차 산업혁명 시대가 열린 지금 산업간 융합을 위한 고급지식정보의 안전하고 빠른 교류가 필수라는 점을 감안했을 때 국가적 인프라로써 암호통신 기술 개발의 중요성과 시급성은 너무나도 명확하다. 현재 전 세계적으로 차세대 보안통신기술로 양자암호통신을 활발히 연구·검증하고 있으며, 이는 우리의 삶을 획기적으로 바꿀 핵심 키가 될 것으로 전망된다.

쇼핑, 장보기, 은행업무 등 손가락만 몇 번 움직이면 자신이 바라는 것을 가질 수 있는 세상이다. 그러나 필연적으로 기술의 발달에는 그에 따른 책임이 뒤따른다. 이를 악용한 범죄기술 역시 함께 발달하기 때문이다. 디지털로 전송되는 정보는 암호화 과정이 필수적이다. 정보를 전달하는 도중 다른 누군가 이를 가로채더라도 해당 정보를 해석할 수 없게 만들기 위해서다. 암호화 과정에는 암호를 주고 받는 이들 사이에 규칙이 필요하다. 규칙이 없는 암호는 마치 자물쇠가 없는 금고와도 같으며 그 금고는 더 이상 쓸모없는 고철에 불과하다.

금고에 자물쇠를 달고 그 자물쇠의 열쇠를 만드는 일을 ‘암호화 키’를 만드는 작업이라고 부른다. 현재 널리 사용되는 암호화 키 생성 방식은 비트 0과 1을 조합해 만드는 디지털방법이 있다. 하지만 컴퓨터 성능의 비약적인 발전과 암호 분석 알고리즘을 풀어내는 방법이 진보하면서 디지털 암호화방식은 누군가 마음만 먹으면 풀수 있다는 기술적 한계에 직면했다. 이와 함께 현재의 디지털 암호화 방식은 중간에 정보가 유출되더라도 즉각 이를 알아차리기가 쉽지 않다는 단점을 보유하고 있다.

이런 단점을 보완한 차세대 기술이 바로 양자암호통신이다. 양자암호통신은 멀리 떨어져 있는 두 사람이 통신상에서 서로만 알고 있는 암호 비밀키를 안전하게 나눠 갖고 이를 이용해 암호 통신을 하는 방법을 말한다. 양자암호통신의 핵심은 바로 양자의 특성에 있다. 양자는 에너지의 최소단위로서 비트 0과 1의 상태가 중첩된 ‘양자중첩’, 양자 간 강한 상관관계를 가진 ‘양자얽힘’, 불불명한 임의상태인 ‘불확정성’의 특성을 가지고 있다.

양자중첩이란 여러 상태가 확률적으로 하나의 양자에 동시에 존재하고 측정하기 전까지 정확한 양자상태를 알 수 없다는 특징이다. 양자얽힘은 둘 이상의 양자가 가지는 비고전적 상관관계로 두 양자가 서로 멀리 떨어져 있어도 존재하는 특성이다. 불확정성은 서로 다른 물리량이 동시에 정확하게 측정이 불가능한 특성이다.

이런 특징 때문에 여러 상태를 동시에 갖고 있고 이를 동시에 정확하게 측정할 수 없는 양자는 복제가 불가능하다. 이 같은 복제불가능성에 기반 하는 양자암호는 양자암호키 분배(QKD, Quantum Key Distribution)의 안전성을 보장 받는다. 그 결과 아무리 뛰어난 슈퍼컴퓨터가 있다 한들 양자암호키로 만들어진 불규칙한 양자의 난수는 분석할 수 없다.

국가적 사업으로 활발하게 진행 중인 해외 양자정보통신기술

양자암호통신기술에 대한 예측은 미래 사회의 변화 트렌드 및 이와 관련된 ICT 의 미래와 결코 분리할 수 없을 것으로 보인다. 이에 해외에서는 차세대 정보통신기술의 핵심 키로 불리는 양자암호통신에 개발에 열을 내고 있다. 미국의 경우 2000년 로스알라모스 국립연구소(LANL)에서 48km거리의 광통신 양자암호 시스템 구현을 성공한 경험을 살려, 2005년 미국 스탠포드 대학과 일본의 NTT가 105km의 거리에서 양자암호통신 전송실험을 성공했다. 이후 미국은 CIA, NAS, NASA, ARDA 등 국가 기관을 중심으로 양자암호통신 관련 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 2005년부터 양자 정보 과학 분야를 5대 중점 연구 분야로 꼽아 기술개발에 박차를 가하고 있다.

유럽 역시 2002년 제네바와 67km 떨어진 로잔(Lausanne)지역 내 광통신 시스템을 이용해 양자암호키분배 기술을 시연했으며, 여러 벤처기업 등을 설립해 난수생산기와 양자암호키분배 시스템을 상용화하기 시작했다. 더불어 양자정보통신 관련 연구는 FP7의 FET에서 집중적으로 추진하고 있으며 관련 프로젝트인 QUIE2T(Quantum Information Entanglement-Enabled Technologies)는 2010년 2월부터 연간 1,500만유로 규모의 R&D투자를 받고 있는 것으로 알려져 있다.

가까운 일본과 중국 또한 양자암호통신에서 빼놓을 수 없는 국가들이다. 일본의 경우 2000년부터 양자역학적 효과를 정보통신기술에 어떻게 적용할 것인지 연구를 시작했으며, 2003년 미쓰비시사 등이 87km에 이르는 광섬유를 이용한 양자암호 전달 실험에 성공했다. 이어 2004년 동경대학교 연구팀은 3자간 양자원격이동 실험을 세계 최초로 성공시키는 쾌거를 이륙했으며, 2010년 일본 NTT와 교토 대학은 공동으로 양자 얽힘을 이용한 내결성 오류정정 기술 개발과 함께 양자정보통신 관련 로드맵을 발표하고 관련 기술개발에 매진하고 있다.

그 중에서도 중국은 양자정보통신 기술 확보에 가장 공격적인 행보를 이어나가는 중이다. 중국 역시 2005년 양자암호 시스템 개발을 국가프로젝트의 일환으로 시작했으며, 같은 해 베이징과 텐진 간 125km에 이르는 광섬유 통신망을 이용해 양자암호통신 네트워크를 구성했다. 이와 함께 2012년 중국 과학기술부는 양자 관련 기술에 5년간 2,900억 원을 투자하기로 했으며, 2016년 8월에는 세계 최초로 양자통신 위성인 ‘묵자호’를 쏘아 올렸다. 현 단계에서 위성을 이용한 양자 통신은 중국이 세계 최고로 불릴 정도다.

7년 뒤쳐진 국내 양자정보통신기술

해외 유수 선진국들은 정부의 막대한 투자와 산학연 협동, 할발한 연구개발 활동을 통해 양자암호통신 시스템의 고속화와 고도화, 양자암호 네트워크 구현, 위성 및 비행체를 통한 양자암호 통신 시스템 구현 등 다양한 성과를 거두고 있다. 그러나 해당 분야에 대한 국내 투자는 기타 선진국들에 비해 매우 미약한 수준이다.

정보통신산업진흥원 기획평가단 권문주 박사는 양자암호통신 기술이 국가 핵심 전략기술이지만 해외 선진국에 비해 우리나라의 기술은 6~7년가량 뒤쳐져있다고 지적했다. 권 박사는 “전 세계 국가들이 양자암호통신 핵심 기술 개발로 초기시장을 선점하기 위해 고군분투 중이지만 우리나라는 아직도 걸음마 수준”이라며 이같이 설명했다.

그의 설명에 따르면 해외 선진국과 우리나라의 기술 격차는 7년 가까이 존재함에도 불구하고, 관련 연구지원은 100억원 대 수준에 머물러 있는 것으로 확인 됐다. 이는 연구지원이 수천억원 이상인 해외와 비교할 수조차 없는 수준으로, 7년이라는 기술 격차가 벌어진 이유를 설명하고 있다.

고등과학원 김재완 교수 역시 한국 양자정보통신기술의 암울한 현실에 일침을 놓았다. 김 교수는 “한국은 보수적인 사회입니다. 남들이 해서 잘하는 것을 확인한 뒤에야 사업에 뛰어듭니다. 양자정보통신기술은 전 세계 모든 과학자들이 처음 들어가는 단계로써 초기에 위치를 선점하는 것이 중요합니다. ICT 강국으로 불리는 우리나라는 해외 선진국들에 비해 양자정보통신기술에 들어가는데 늦었습니다”라며 지금이라도 아낌없는 지원으로 외국과의 기술격차를 줄여나가야 한다고 토로했다.

반면, 표준과학연구원 정연욱 연구원은 “선진국에 비해 기술 차이가 존재하지만 국내에도 어느 정도의 역량이 존재 한다”며 선진국과의 기술차이에 너무 낙담할 필요는 없다고 알렸다. 다만, 지금 시기마저 놓쳐서는 안 된다고 강조했다. 정 연구원은 “양자정보통신기술은 모든 국가가 준비해야 하는 기술이며, 영원히 손 놓고 있을 수만은 없다”면서 만약 이 시기를 놓치면 뒷북만 치는 결과를 낳게 될 수 있다고 경고했다.

또한 전문 인력 양성 역시 시급한 현실이라고 전했다. 그는 “국내에 IT 기술 인력은 많이 있지만 양자를 전공한 사람은 거의 없다는 사실을 인정해야 한다. 하지만 인력 양성이라고 해서 당장 학교에 석·박사를 만들어 내는 것은 아니다. 현재 국내 교수진들도 이 분야에 대한 전문지식이 부족하다”며 교수들의 재교육이 먼저 선행돼야 한다고 주장했다. 결국 이 모든 문제의 근원은 양자정보통신기술에 대한 10여 년 간 제도권의 무관심에 대한 결과인 것으로 나타났다.

ICT 강국의 저력을 발휘할 때, 양자정보통신기술 관련법 발의

이처럼 양자정보통신기술에 대한 지원 문제로 전문가들 사이에서 울분 섞인 목소리가 터져 나오는 가운데 지난 1월 반가운 소식이 들려왔다. 드디어 제도권 내에서 양자 기술의 중요성을 인식한 움직임을 보였기 때문이다. 지난 1월 4일 새누리당 이은권 의원에 의해 ‘양자정보통신기술 개발 및 산업화 촉진에 관한 법률안’이 발의됐다.

이 의원이 대표 발의한 이 법은 양자컴퓨터와 양자응용계측 및 소자, 양자암호 및 통신 등 양자정보통신기술의 체계적인 육성체제를 확립하기 위한 법이다. 법의 주요 내용은 해당 개발 기술의 산업화를 촉진하기 위해 양자정보통신기술의 종합발전계획을 수립, 연구개발 추진, 전문인력 양성과 진흥시설 지정 및 조성, 네트워크 구축 등 산업기반을 조성해 국내4차 산업혁명의 주요 신산업으로 육성하려는 내용을 품고 있다.

이 의원은 “우리나라가 세계적인 경쟁력을 갖춘 ICT 강국으로 평가받아 왔으나, 최근 중국의 약진으로 인해 ICT 산업의 경쟁력을 점차 잃어가고 있다”며 “정보통신산업 강국으로서의 위상을 지키고 국가 경쟁력을 회복하는데 양자정보통신기술이 중심 동력이 될 것”이라며 법안 발의 이유를 설명했다.

국내 양자암호통신기술의 선봉에 선 SK텔레콤

양자암호통신기술에 대한 정부차원의 지원이 구체적으로 그려지는 가운데 국내 기업 중에서 양자암호통신에 가장 많은 관심을 기울여온 SK텔레콤이 지난 1월 말 세계 최초로 양자암호통신칩을 구현하면서 세간의 이목을 집중시켰다. 지난 2011년부터 SK텔레콤은 퀀텀테크랩(Quantum Tech Lab)을 조직해 단일광자검출기, 간섭계, 후처기 및 암·복호화장비 및 양자리피터 등 관련기술을 연구해왔다. 이어 2016년 11월 양자암호화키의 중요 기술인 양자난수생성기(QRNG) 핵심 특허를 보유한 스위스의 IDQ에 투자해 QRNG의 배타성 특허권을 확보하기도 했다.

SK텔레콤 최진성 종합기술원장은 “선진국에 비해 여전히 부족한 수준이지만 2011년 본격적으로 양자정보통신기술에 뛰어든 이후, SK는 꾸준한 투자를 해왔고 좋은 성과를 만들어냈다고 자부한다”라고 설명했다. 이를 증명하듯 SK는 대전과 세종 구간 SK의 LTE 트래픽을 실어 나르는데 양자통신을 이용해 성공했으며, 전국망으로 확대하기 위한 효율적 제품개발 또한 올해 중으로 진행할 것으로 알려져 있다.

최 원장은 “SK는 양자암호키 분배기술 외에도 5G네트워크와 최근에는 자율주행을 위해 BMW와 같이 협업 하고 있다”며 양자정보통신의 선두주자로서 기존과 차원이 다른 서비스를 선보일 예정이라고 덧붙였다.

새로운 미래를 열기 위해 무서운 노력과 아낌없는 지원 필요

고등과학원 김재완 교수는 “15~16년 전만 하더라도 중국에는 양자 기술을 연구하는 교수가 없었습니다. 대신 중국은 학생들을 유럽이나 미국으로 보내 양자정보통신기술을 공부하게 했습니다. 그리고 2001년부터 중국은 이 학생들을 자국으로 불러들이기 시작했습니다. 현재 중국 본토에만 양자기술 연구진은 수백명이 넘고, 해당 박사들도 매년 천명 이상 배출해내고 있습니다. 양자 기술 관련 전문가들이 포화수준이라고 말할 수 까지 있는 중국은 이처럼 전폭적인 국가의 노력이 있었기 때문입니다. 이에 비해 우리나라는 새로운실험을 할 비용이 필요했는데 지난 10년 여간 그런 기회를 많이 놓쳤습니다. 큰 비용이 투자되는 만큼 잘못 운용했을 경우 큰 시련을 겪을 수 있습니다. 하지만 지금 전 세계의 모든과학자들이 양자 기술 선두자리를 차지하기 위해 경쟁하는 이유는 무엇보다 그 열매가 매우 가치 있고 크기 때문입니다. 하지만 이런 장밋빛 꿈을 실현하기 위해서는 수많은 시간과 노력이 필요합니다. 양자 연구는 ‘어느 정도 하면 되겠지’라는 수준의 기술이 아닙니다. 자연의 궁극적 원리를 이용하는 궁극적 기술입니다. 이 때문에 중국과 일본, 유럽, 미국 등은 무서울 정도로 실력을 쌓아가고 있습니다. 많이 뒤쳐져있지만 늦게라도 우리 과학 기술자들이 투입돼 최선을 다해야 합니다. 그리고 이를 위해선 정부차원의 전폭적인 지원이 필요합니다”라며 산학연 그리고 정부가 힘을 모아줄 것을 당부했다.

양자암호통신 기술의 발전은 단지 보안통신장비의 발전뿐만 아니라 광학소자와 센서, 컴퓨팅 기술에 이르기 까지 ICT 전반에 걸쳐 활용될 수 있는 미래 핵심 산업 기술로써 그 중요성은 여러 번 강조해도 지나치지 않다. 한편, 지난해 정부는 총 사업비 5,000억 원 이상을 투입하는 양자정보통신 중장기 기술개발 사업 예비심사를 통과시켰다. 이에 따라 정부의 본심사와 국회의 예산 심사를 통과할 경우 빠르면 올해 말부터는 본격적으로 양자정보통신 사업이 탄력을 받을 것으로 전망된다. 양자정보통신기술이 대한민국 기술 산업의 새로운 동력으로 작동하기 위해 그 어느 때보다 정부와 국회의 역할이 중요해 보이는 시점이다.

MeCONOMY magazine February 2017